Tecnologia Científica

Pesquisadores dão um passo importante para uma produção mais limpa e sustentável de hidrogênio
Os cientistas usaram ferramentas experimentais avançadas para criar uma compreensão mais clara de um processo catalítico eletroquímico mais limpo e sustentável do que o hidrogênio derivado do gás natural.
Por Steve Lundeberg - 10/01/2021


Os grupos líderes da Cornell University, Oregon State University e Argonne National Laboratory empregam um conjunto de ferramentas avançadas de caracterização para estudar a evolução da estrutura atômica de um eletrocatalisador OER de última geração, iridato de estrôncio (SrIrO 3 ), em eletrólito ácido, para entender a origem de sua atividade recorde (1000 vezes maior do que o catalisador comercial, óxido de irídio) para o REA. Crédito: Zhenxing Feng, Oregon State University

A produção em massa de hidrogênio a partir da água de forma eficiente está mais perto de se tornar uma realidade graças aos pesquisadores da Faculdade de Engenharia da Universidade Estadual do Oregon e colaboradores da Universidade Cornell e do Laboratório Nacional Argonne.

Os cientistas usaram ferramentas experimentais avançadas para criar uma compreensão mais clara de um processo catalítico eletroquímico mais limpo e sustentável do que o hidrogênio derivado do gás natural.

Os resultados foram publicados hoje na Science Advances .

O hidrogênio é encontrado em uma ampla gama de compostos na Terra, mais comumente se combinando com o oxigênio para fazer água, e tem muitos papéis científicos, industriais e relacionados à energia. Também ocorre na forma de hidrocarbonetos, compostos que consistem em hidrogênio e carbono, como o metano, o principal componente do gás natural.

"A produção de hidrogênio é importante para muitos aspectos de nossa vida, como células de combustível para carros e a fabricação de muitos produtos químicos úteis, como a amônia", disse Zhenxing Feng, do Oregon State, professor de engenharia química que liderou o estudo. "Também é usado no refino de metais, para a produção de materiais sintéticos, como plásticos e para uma série de outros fins."

De acordo com o Departamento de Energia, os Estados Unidos produzem a maior parte de seu hidrogênio a partir de uma fonte de metano, como o gás natural, por meio de uma técnica conhecida como reforma de vapor-metano. O processo envolve submeter o metano a vapor pressurizado na presença de um catalisador, criando uma reação que produz hidrogênio e monóxido de carbono , bem como uma pequena quantidade de dióxido de carbono.

A próxima etapa é conhecida como a reação de deslocamento água-gás, na qual o monóxido de carbono e o vapor são reagidos por meio de um catalisador diferente, formando dióxido de carbono e hidrogênio adicional. Na última etapa, a adsorção por oscilação de pressão, o dióxido de carbono e outras impurezas são removidos, deixando para trás o hidrogênio puro.

"Em comparação com a reforma do gás natural , o uso de eletricidade de fontes renováveis ​​para dividir a água para o hidrogênio é mais limpo e sustentável", disse Feng. "No entanto, a eficiência da separação da água é baixa, principalmente devido ao alto sobrepotencial - a diferença entre o potencial real e o potencial teórico de uma reação eletroquímica - de uma meia-reação chave no processo, a reação de evolução de oxigênio ou REA . "
 
Uma meia-reação é uma das duas partes de um redox, ou redução-oxidação, reação em que os elétrons são transferidos entre dois reagentes; redução se refere ao ganho de elétrons, a oxidação significa perda de elétrons.

O conceito de semi-reações é freqüentemente usado para descrever o que acontece em uma célula eletroquímica, e semi-reações são comumente usadas como uma forma de equilibrar as reações redox. O superpotencial é a margem entre a voltagem teórica e a voltagem real necessária para causar a eletrólise - uma reação química impulsionada pela aplicação de corrente elétrica.

"Os eletrocatalisadores são essenciais para promover a reação de divisão da água, reduzindo o excesso de potencial, mas o desenvolvimento de eletrocatalisadores de alto desempenho está longe de ser simples", disse Feng. "Um dos maiores obstáculos é a falta de informações sobre a estrutura em evolução dos eletrocatalisadores durante as operações eletroquímicas. Compreender a evolução estrutural e química do eletrocatalisador durante o OER é essencial para desenvolver materiais eletrocatalisadores de alta qualidade e, por sua vez, energia sustentabilidade. "

Feng e colaboradores usaram um conjunto de ferramentas de caracterização avançadas para estudar a evolução estrutural atômica de um eletrocatalisador OER de última geração, iridato de estrôncio (SrIrO 3 ), em eletrólito ácido.

"Queríamos entender a origem de sua atividade recorde para o OER - 1.000 vezes maior do que o catalisador comercial comum, o óxido de irídio", disse Feng. "Usando instalações de raios-X baseadas em síncrotron em Argonne e espectroscopia de fotoelétrons de raios-X baseada em laboratório no site da Northwest Nanotechnology Infrastructure em OSU, observamos a transformação química de superfície e cristalino em amorfo de SrIrO 3 durante o OER."

As observações levaram a uma compreensão profunda do que estava acontecendo por trás da capacidade do iridato de estrôncio de funcionar tão bem como catalisador.

"Nossa descoberta detalhada em escala atômica explica como a camada ativa de iridato de estrôncio se forma no iridato de estrôncio e aponta para o papel crítico da ativação do oxigênio da rede e da difusão iônica acoplada na formação das unidades OER ativas", disse ele.

Feng acrescentou que o trabalho fornece uma visão sobre como o potencial aplicado facilita a formação das camadas amorfas funcionais na interface eletroquímica e leva a possibilidades para o projeto de melhores catalisadores.

 

.
.

Leia mais a seguir