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Melhores soluções para fazer hidrogênio podem estar apenas na superfície
Os cientistas estão procurando maneiras de isolar esse elemento portador de energia sem usar combustíveis fósseis. Isso abriria caminho para carros movidos a hidrogênio, por exemplo, que emitem apenas água e ar quente no escapamento.
Por Christina Nunez - 09/04/2021


As interações exclusivas entre o óxido de perovskita, sua camada de superfície em mudança e as espécies de ferro que são ativas para os REA abrem um novo caminho para o projeto de materiais ativos e estáveis, trazendo-nos um passo mais perto de uma produção eficiente e acessível de hidrogênio verde. Crédito: Laboratório Nacional de Argonne

Um futuro de energia limpa impulsionado por hidrogênio combustível depende de descobrir como dividir a água de forma confiável e eficiente. Isso porque, embora o hidrogênio seja abundante, ele deve ser derivado de outra substância que o contenha - e hoje, essa substância costuma ser o gás metano. Os cientistas estão procurando maneiras de isolar esse elemento portador de energia sem usar combustíveis fósseis. Isso abriria caminho para carros movidos a hidrogênio, por exemplo, que emitem apenas água e ar quente no escapamento.

Água, ou H2O, une hidrogênio e oxigênio. Os átomos de hidrogênio na forma de hidrogênio molecular devem ser separados desse composto. Esse processo depende de uma etapa-chave - mas geralmente lenta: a reação de evolução do oxigênio (OER). O OER é o que libera oxigênio molecular da água, e controlar essa reação é importante não apenas para a produção de hidrogênio, mas uma variedade de processos químicos, incluindo aqueles encontrados em baterias.

Um estudo conduzido por cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) ilumina uma qualidade de mudança de forma em óxidos de perovskita , um tipo de material promissor para acelerar o REA. Os óxidos de perovskita abrangem uma gama de compostos que possuem uma estrutura cristalina semelhante. Eles normalmente contêm um metal alcalino-terroso ou lantanídeos como La e Sr no local A e um metal de transição como Co no local B, combinado com oxigênio na fórmula ABO3. A pesquisa oferece uma visão que pode ser usada para projetar novos materiais, não apenas para a fabricação de combustíveis renováveis, mas também para o armazenamento de energia.

Os óxidos de perovskita podem causar REA e são mais baratos do que metais preciosos, como irídio ou rutênio, que também funcionam. Mas os óxidos de perovskita não são tão ativos (em outras palavras, eficientes na aceleração do OER) como esses metais e tendem a se degradar lentamente.

"Entender como esses materiais podem ser ativos e estáveis ​​foi uma grande força motriz para nós", disse Pietro Papa Lopes, um cientista assistente na divisão de Ciência de Materiais da Argonne que liderou o estudo. "Queríamos explorar a relação entre essas duas propriedades e como isso se conecta às propriedades da própria perovskita."

Pesquisas anteriores se concentraram nas propriedades de massa dos materiais de perovskita e como elas se relacionam com a atividade REA. Os pesquisadores se perguntaram, no entanto, se havia mais nessa história. Afinal, a superfície de um material, onde ele reage com seu entorno, pode ser completamente diferente das demais. Exemplos como esse estão em toda parte na natureza: pense em um abacate cortado pela metade que rapidamente fica marrom onde encontra o ar, mas permanece verde por dentro. Para materiais de perovskita, uma superfície que se torna diferente da massa pode ter implicações importantes em como entendemos suas propriedades.
 
Em sistemas eletrolisadores de água, que dividem a água em hidrogênio e oxigênio, os óxidos de perovskita interagem com um eletrólito feito de água e espécies especiais de sal, criando uma interface que permite o funcionamento do dispositivo. Conforme a corrente elétrica é aplicada, essa interface é crítica para iniciar o processo de divisão da água. "A superfície do material é o aspecto mais importante de como a reação de evolução do oxigênio irá ocorrer: quanta voltagem você precisa e quanto oxigênio e hidrogênio você estará produzindo", disse Lopes.

Não apenas a superfície do óxido de perovskita é diferente do resto do material, mas também muda com o tempo. "Uma vez que está em um sistema eletroquímico, a superfície da perovskita evolui e se transforma em um filme fino e amorfo", disse Lopes. "Nunca é realmente o mesmo que o material com o qual você começa."

Os pesquisadores combinaram cálculos teóricos e experimentos para determinar como a superfície de um material perovskita evolui durante o REA. Para fazer isso com precisão, eles estudaram a perovskita de óxido de cobalto de lantânio e a ajustaram "dopando" o lantânio com estrôncio, um metal mais reativo. Quanto mais estrôncio foi adicionado ao material inicial, mais rápido sua superfície evoluiu e se tornou ativa para o OER - um processo que os pesquisadores foram capazes de observar em resolução atômica com microscopia eletrônica de transmissão. Os pesquisadores descobriram que a dissolução de estrôncio e a perda de oxigênio da perovskita estavam conduzindo a formação dessa camada de superfície amorfa, que foi explicada por modelagem computacional realizada usando o Center for Nanoscale Materials, um DOE Office of Science User Facility.

"A última peça que faltava para entender por que as perovskitas estavam ativas em relação ao OER era explorar o papel de pequenas quantidades de ferro presentes no eletrólito", disse Lopes. O mesmo grupo de pesquisadores descobriu recentemente que traços de ferro podem melhorar o REA em outras superfícies de óxido amorfo. Assim que determinaram que a superfície de uma perovskita evolui para um óxido amorfo, ficou claro por que o ferro era tão importante.

"Os estudos computacionais ajudam os cientistas a entender os mecanismos de reação que envolvem tanto a superfície da perovskita quanto o eletrólito", disse Peter Zapol, físico da Argonne e coautor do estudo. "Nós nos concentramos em mecanismos de reação que impulsionam as tendências de atividade e estabilidade em materiais de perovskita. Isso não é normalmente feito em estudos computacionais, que tendem a se concentrar apenas nos mecanismos de reação responsáveis ​​pela atividade."

O estudo descobriu que a superfície do óxido de perovskita evoluiu para um filme amorfo rico em cobalto com apenas alguns nanômetros de espessura. Quando o ferro estava presente no eletrólito, o ferro ajudou a acelerar o REA, enquanto o filme rico em cobalto teve um efeito estabilizador sobre o ferro, mantendo-o ativo na superfície.

Os resultados sugerem novas estratégias potenciais para projetar materiais de perovskita - pode-se imaginar a criação de um sistema de duas camadas, disse Lopes, que é ainda mais estável e capaz de promover o REA.

“O REA faz parte de tantos processos, então a aplicabilidade aqui é bastante ampla”, disse Lopes. "Entender a dinâmica dos materiais e seus efeitos nos processos de superfície é como podemos tornar os sistemas de armazenamento e conversão de energia melhores, mais eficientes e acessíveis."

O estudo é descrito em um artigo publicado e destacado na capa do Journal of the American Chemical Society , "Dynamically Stable Active Sites from Surface Evolution of Perovskite Materials during the Oxygen Evolution."

 

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