Cientistas de Argonne e UChicago criam baixa

13 de junho de 2023

Um suprimento abundante de energia limpa está à espreita. O hidrogênio pode alimentar veículos e não emite nada além de água; é também um produto químico importante para muitos processos industriais, principalmente na produção de aço e de amônia.

Como parte da luta contra as alterações climáticas, os cientistas procuram métodos de baixo custo para produzir hidrogénio a partir da água para substituir os combustíveis fósseis. Para ser verdadeiramente limpo, este processo precisa ser feito utilizando energia renovável.

Uma equipe multiinstitucional liderada pelo Argonne National Laboratory, um laboratório do Departamento de Energia dos EUA afiliado à Universidade de Chicago, desenvolveu um catalisador de baixo custo para um processo que produz hidrogênio limpo a partir da água.

“Nossos resultados estabelecem um caminho promissor na substituição de catalisadores feitos de metais preciosos caros por elementos que são muito menos caros e mais abundantes”, disse o autor do estudo Di-Jia Liu, químico sênior em Argonne que tem um cargo conjunto na Escola Pritzker. de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago.

O processo para dividir a água em hidrogênio e oxigênio é chamado de eletrólise e existe há mais de um século.

Antigamente, a técnica para esse processo consumia muita energia. Mas uma nova geração de tecnologia para este processo, conhecida como eletrolisadores de membrana de troca de prótons, pode funcionar com maior eficiência próximo à temperatura ambiente. A reduzida procura de energia torna-os numa escolha ideal para a produção de hidrogénio limpo através da utilização de fontes renováveis ​​mas intermitentes, como a solar e a eólica.

No entanto, o custo continuou sendo um problema. Um dos catalisadores desse processo usa irídio, que tem um preço de mercado atual de cerca de US$ 5.000 por onça. A falta de fornecimento e o alto custo do irídio representam uma grande barreira para a adoção generalizada de eletrolisadores PEM.

A equipe conseguiu desenvolver um novo catalisador cujo ingrediente principal é o cobalto, que é substancialmente mais barato que o irídio.

“Ao usar o catalisador à base de cobalto preparado pelo nosso método, pode-se remover o principal gargalo de custo para a produção de hidrogênio limpo em um eletrolisador”, disse Liu.

Giner Inc., uma empresa líder em pesquisa e desenvolvimento que trabalha na comercialização de eletrolisadores e células de combustível, avaliou o novo catalisador usando suas estações de teste de eletrolisadores PEM sob condições de operação industrial. O desempenho e a durabilidade excederam em muito os catalisadores dos concorrentes.

A conquista da equipe é um passo à frente na iniciativa Hydrogen Energy Earthshot do Departamento de Energia, que imita o “Moon Shot” do programa espacial dos EUA na década de 1960. O seu ambicioso objectivo é reduzir o custo da produção de hidrogénio verde para um dólar por quilograma numa década. A produção de hidrogénio verde a esse custo poderia remodelar a economia do país.

As aplicações incluem rede elétrica, fabricação, transporte e aquecimento residencial e comercial.

Ao compreender o mecanismo de reação em escala atômica sob condições operacionais, os cientistas podem refinar seu desempenho.

“Imaginamos a estrutura atômica na superfície do novo catalisador em vários estágios de preparação”, disse Jianguo Wen, cientista de materiais de Argonne.

A equipe decifrou mudanças estruturais críticas que ocorrem no catalisador em condições operacionais usando análises de raios X na Fonte Avançada de Fótons em Argonne. Eles também identificaram as principais características do catalisador usando microscopia eletrônica no Sandia Labs e no Centro de Materiais em Nanoescala de Argonne.

A Advanced Photon Source e o Center for Nanoscale Materials são instalações para usuários do DOE Office of Science. Além disso, a modelagem computacional no Berkeley Lab revelou importantes insights sobre a durabilidade do catalisador sob condições de reação.

Citação: “Catalisador de evolução de oxigênio de espinélio de cobalto dopado com La e Mn para eletrólise de membrana de troca de prótons.” Chong et al, Science, 12 de maio de 2023. Financiamento: Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do Departamento de Energia dos EUA, Pesquisa e Desenvolvimento Direcionado pelo Laboratório Argonne.