Novo método acelera e barateia a produção de peça-chave para hidrogênio verde

Pesquisadores do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE) criaram um método mais rápido e barato de fabricar uma peça-chave para a produção de hidrogênio. Chamada de ânodo, essa peça é usada dentro dos eletrolisadores – máquinas que “quebram” as moléculas de água para extrair o hidrogênio. Durante esse processo, o ânodo funciona como a parte do equipamento por onde o oxigênio é separado e liberado.

A etapa de liberação do oxigênio exige muita energia para acontecer, mas ela é essencial. É durante esse processo que surgem os elétrons e prótons necessários para que o hidrogênio seja formado na outra ponta do equipamento, em uma peça chamada cátodo. Para diminuir o gasto de energia, os cientistas aplicam no ânodo materiais chamados catalisadores, que funcionam como facilitadores da reação. Quanto melhor for esse catalisador, menos energia a máquina vai consumir, tornando a produção do hidrogênio mais barata e ainda mais ecológica.

O ânodo desenvolvido neste novo trabalho consiste em um substrato de titânio revestido com um filme fino de óxidos de rutênio e manganês – uma combinação de materiais que garante alta atividade catalítica e durabilidade. Para chegar à melhor “receita” do material, a equipe testou diversas proporções de óxidos e três técnicas de tratamento térmico (em forno convencional, em micro-ondas e por laser), analisando o impacto das diferentes opções nas propriedades e no desempenho dos ânodos obtidos.

Os detalhes foram descritos em março no periódico científico Electrochimica Acta.

Os experimentos comprovaram que os métodos alternativos (micro-ondas e laser) reduzem drasticamente o tempo de fabricação, resultando em menor consumo energético e, consequentemente, na redução dos custos de produção dos ânodos. Além disso, o estudo provou que essas técnicas de aquecimento geram ânodos mais ativos para a etapa de liberação de oxigênio.

“A principal contribuição do estudo foi demonstrar que o método de aquecimento utilizado na síntese desses ânodos exerce forte influência sobre suas propriedades estruturais, morfológicas e eletrocatalíticas”, diz o professor da UFSCar Elton Sitta, da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) e pesquisador do CINE que liderou o trabalho.

Teste em água do mar

Os ânodos foram avaliados em dois contextos que exigem catalisadores muito estáveis e ativos. Inicialmente, foram testados em condições semelhantes às encontradas em eletrolisadores do tipo PEM (sigla de Proton Exchange Membrane), que é uma das tecnologias mais promissoras para a produção de hidrogênio de baixo carbono. Posteriormente, foram feitos testes em água do mar – estratégia oportuna por evitar o consumo de água potável e aproveitar um recurso muito abundante no planeta.

“Os resultados mostraram que os filmes obtidos pelos métodos de micro-ondas e laser apresentam características particularmente interessantes para aplicações futuras em eletrolisadores que operam em meio ácido e de água do mar”, celebra Sitta.

O trabalho reuniu grupos de pesquisa da UFSCar e da Universidade Tiradentes (Unit), em Sergipe. A parceria permitiu combinar competências complementares que viabilizaram a realização de um estudo abrangente, contemplando desde a preparação dos materiais até a investigação detalhada de suas propriedades e sua aplicação em condições reais. “Esse tipo de colaboração fortalece a pesquisa nacional e contribui para o desenvolvimento de tecnologias mais eficientes e sustentáveis para a produção de hidrogênio verde”, destaca Isabelle M.D. Gonzaga, pesquisadora de pós-doutorado do CINE e primeira autora do artigo.

De acordo com Sitta, as técnicas alternativas utilizadas no trabalho têm potencial para tornar a fabricação de ânodos mais rápida, eficiente e economicamente competitiva. “Do ponto de vista industrial, o aquecimento por micro-ondas parece ser a alternativa mais facilmente adaptável para produção em larga escala, enquanto o uso de laser pode ser especialmente interessante em processos automatizados e contínuos de fabricação de eletrodos [ânodos]”, explica.

O trabalho foi realizado dentro do programa Hidrogênio de Baixo Carbono do CINE – um Centro de Pesquisa Aplicada (CPA) constituído pela FAPESP e pela Shell em 2018 e sediado nas universidades Estadual de Campinas (Unicamp), de São Paulo (USP) e UFSCar, com a participação de outras oito instituições brasileiras. Também foi apoiado pela FAPESP por meio de outros dois projetos (24/16986-7 e 21/12394-0).

O artigo Influence of the thermal synthesis method on the structure and electrocatalytic behavior of Ti/(RuO2)x(Mn3O4)1-x catalysts applied to acidic water oxidation pode ser lido em: sciencedirect.com/science/article/pii/S0013468626005785.

* Com informações de Verónica Savignano, do CINE.

Fonte: Agência FAPESP