‘Defeito’ em catalisadores melhora desempenho na produção de hidrogênio verde

Pesquisadores da Unicamp aumentaram significativamente a eficiência de materiais de baixo custo usando uma abordagem simples de alteração de sua estrutura

Fonte: Agência FAPESP

Em uma pesquisa do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE) publicada no periódico Electrochimica Acta, um grupo de cientistas da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) aumentou significativamente a eficiência de catalisadores de baixo custo usando uma abordagem simples: a introdução de defeitos no material.

O CINE é um Centro de Pesquisa em Engenharia (CPE) constituído pela FAPESP e pela Shell em 2018. O centro é sediado na Unicamp, Universidade de São Paulo (USP) e Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), com a participação de outras oito instituições brasileiras.

Dividir a molécula de água usando energia proveniente de fontes renováveis é, até o momento, a melhor forma de produzir hidrogênio com a menor emissão de carbono possível. Nesse processo, duas reações ocorrem de forma simultânea, gerando, respectivamente, o desprendimento do oxigênio e do hidrogênio.

Para que seja eficiente, a divisão da molécula de água precisa de bons catalisadores, principalmente para a reação de desprendimento do oxigênio, que é muito mais lenta. Todavia, o custo desses materiais representa, atualmente, de 20% a 30% do custo total do hidrogênio obtido no final do processo. Por isso, o desenvolvimento de catalisadores eficientes e baratos é hoje um importante desafio para a ciência (leia mais em: agencia.fapesp.br/55548) .

Os cientistas do CINE escolheram materiais conhecidos como “análogos do azul da Prússia”, formados por átomos de metais e grupos químicos chamados cianetos. Esses catalisadores são formados por elementos abundantes no planeta e de custo relativamente baixo, mas seu desempenho é limitado pela baixa concentração de locais que sejam ativos na catálise.

Usando um método eletroquímico, no qual a eletricidade gera reações químicas, os pesquisadores da Unicamp conseguiram retirar cianetos desses materiais, gerando vacâncias na sua estrutura. “Pode parecer estranho, mas esses ‘defeitos’ causados pelas vacâncias podem ser algo muito bom: a estrutura do material muda ligeiramente, criando mais espaços ativos onde reações químicas importantes podem acontecer com mais facilidade”, explica Juliano Bonacin, professor do Instituto de Química (IQ-Unicamp) e pesquisador do CINE que liderou a pesquisa.

Os materiais ativados foram, então, usados como catalisadores na reação de desprendimento de oxigênio. Os experimentos mostraram uma grande melhoria: o catalisador com 30% mais defeitos gerou 32% mais oxigênio do que o original. Além disso, as vacâncias dos catalisadores foram estudadas usando técnicas disponíveis no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron, do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), para esclarecer os mecanismos que levaram aos bons resultados.

De acordo com Bonacin, os catalisadores desenvolvidos no estudo representam um passo promissor rumo à produção de hidrogênio de baixo carbono em larga escala. No entanto, testes fora do laboratório ainda não foram realizados. “Apesar de ainda existir um caminho a percorrer, os resultados obtidos indicam um avanço concreto e viável em direção a tecnologias industriais mais baratas e mais sustentáveis”, completa o cientista.

O trabalho contou com financiamento da FAPESP por meio dos projetos 14/50867-3, 17/11986-5, 17/50085-3, 18/25092-9, 18/25207-0, 19/00063-9, 19/24445-8 e 21/05976-2. E também foi apoiado pela Shell e pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), além de contar com suporte estratégico da Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP).

O artigo Electrochemical generation of unconventional cyanide vacancies to boost the catalytic performance of Co-Prussian Blue on oxygen evolution reaction under mild conditions pode ser lido em: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2025.146327.

* Com informações de Verónica Savignano, do CINE.