Pesquisadores tentam tornar células de combustível de hidrogênio mais eficientes e acessíveis
Cientistas da University of New South Wales Sydney (Austrália) estão trabalhando para melhorar a eficiência e o custo das células de combustível de hidrogênio, visando aumentar o acesso a combustíveis limpos.
Apesar de o hidrogênio ser considerado peça-chave na transição para futuro descarbonizado, sua comercialização tem sido lenta devido a vários desafios.
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Rumo à eficiência
O alto custo de alguns dos elementos-chave das células de combustível de hidrogênio, como a platina, é uma das questões que os cientistas estão tentando resolver;A platina é um material caro e escasso, o que torna necessário explorar alternativas viáveis.
Segundo o Tech Xplore, um estudo publicado na revista Energy & Environmental Science, do Professor Chuan Zhao, Dr. Quentin Meyer e Shiyang Liu, da Escola de Química da UNSW, apresenta novo processo desenvolvido pela equipe para testar a durabilidade e estabilidade de alternativas à platina.
Os resultados desse estudo fornecem visões sobre opções econômicas para as células de combustível de hidrogênio. Isso porque o catalisador também é muito caro.
A platina, que forma a camada central essencial de uma célula de combustível, custa entre $AUD 45 mil e $AUD 100 mil (R$ 142,8 mil e 317,5 mil).
A platina sempre vai ser cara, porque não há muito por aí. Portanto, precisamos explorar alternativas, ao mesmo tempo em que fornecemos maneira rápida e fácil de medir o desempenho desses novos materiais nos quais estamos trabalhando em células de combustível de hidrogênio.
Professor Chuan Zhao, da Escola de Química da UNSW
As células de combustível de hidrogênio utilizam reações químicas para transformar o hidrogênio em prótons e elétrons, produzindo eletricidade e água.
Ao contrário das baterias, as células de combustível de hidrogênio não precisam ser recarregadas, sendo possível abastecê-las com hidrogênio em apenas três minutos.
Além de ser uma fonte de energia limpa, produzindo apenas água como subproduto, o hidrogênio é um elemento abundante que pode ser extraído da água. No entanto, o alto custo da platina, essencial nas células de combustível, é um dos principais obstáculos.
Uma abordagem promissora é o uso de alternativas à platina, como o ferro. O problema é que essas alternativas ainda não estão amplamente disponíveis, pois são menos estáveis e se degradam mais rapidamente nas células de combustível de hidrogênio.
“Uma abordagem é usar alternativas de platina, como o ferro, que custa apenas cerca de US$ 0,1 por quilo”, diz o Sr. Liu, “Um material promissor em particular é o ferro-nitrogênio-carbono, também conhecido como Fe-N-C.”
No entanto, essas novas alternativas de platina não estão amplamente disponíveis atualmente porque não são tão estáveis quanto a platina e se decompõem em uma taxa mais rápida em células de combustível de hidrogênio.
“Enquanto as células de combustível baseadas em platina podem durar até 40 mil horas, as células de combustível com materiais de ferro-nitrogênio-carbono podem durar apenas 300 horas”, diz o Dr. Meyer.
Para enfrentar esses desafios, a equipe do Prof. Zhao desenvolveu método para entender por que alguns materiais catalisadores não são tão estáveis quanto a platina. Esse método permite análise rápida e precisa da eficiência das células de combustível e dos catalisadores.
Imagem: 3rdtimeluckystudio/Shutterstock
Usando três novos métodos que testamos no laboratório, podemos descobrir rapidamente o quão estável é nossa célula de combustível sem platina e, mais importante, entender o porquê. Essa abordagem pode ser facilmente adotada por cientistas em outros laboratórios para obter informações rápidas e precisas sobre a eficiência de suas células de combustível e catalisadores.
Professor Chuan Zhao, da Escola de Química da UNSW
Essencialmente, você tem dois lados – um ânodo e um cátodo. Você coloca o hidrogênio de um lado [o ânodo] e o oxigênio do outro [o cátodo] e os catalisadores que fazem as duas reações acontecerem. Uma reação é dividir o hidrogênio em prótons e elétrons, e depois, o outro lado, o oxigênio oxidante lateral. Os prótons e elétrons reagem com o oxigênio no cátodo para produzir água e eletricidade.
Dr. Quentin Meyer, da Escola de Química da UNSW
“Estamos enfrentando um problema do tipo ‘ovo ou galinha’, onde não temos hidrogênio suficiente sendo processado, ou lugares suficientes para usar o hidrogênio depois de extraído”, diz o Prof. Zhao. “Assim, quando começarmos a produzir mais hidrogênio e mais células de combustível, ambos ficarão mais baratos.”
Com essas técnicas, a equipe revelou que até 75% dos sítios ativos à base de ferro (locais específicos onde as reações acontecem) tornam-se inativos nas primeiras dez horas de funcionamento da célula de combustível, devido à perda de sítios ativos de ferro. Isso é seguido pela corrosão do carbono, tornando-se o mecanismo de degradação predominante.
Isso é significativo, pois podemos identificar exatamente o que está acontecendo e quando está acontecendo. Se desenvolvermos material com locais ativos mais estáveis, veremos deterioração mais lenta nas primeiras dez horas, enquanto a corrosão do carbono pode ter tendência semelhante.
Dr. Quentin Meyer, da Escola de Química da UNSW
“Ao permitir o rastreamento preciso dos mecanismos de degradação, esperamos que o campo de pesquisa seja capaz de produzir novos materiais voltados para esses problemas de estabilidade. Como resultado, acreditamos que nossa abordagem ajudará a melhorar a estabilidade de catalisadores livres de platina e dará a esse campo um futuro mais brilhante”, continuou o Dr. Meyer.
O próximo passo da equipe é desenvolver um catalisador que combina diferentes metais para aumentar sua estabilidade. Além disso, eles estão buscando maneiras de tornar o catalisador de células de combustível de hidrogênio de baixo custo mais escalável e aplicável em dispositivos reais.
Com essas descobertas e avanços, espera-se que o campo das células de combustível de hidrogênio avance, proporcionando um futuro mais promissor para as alternativas ao platina e impulsionando o uso de combustíveis limpos em diversos setores, incluindo o transporte.
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