doi.org/10.1038/s41560-024-01484-z
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#Bateria
As membranas bipolares são uma classe de polímeros condutores de íons compostos por duas camadas de carga oposta, conhecidas como camada de troca catiônica e camada de troca aniônica. Essas membranas são fundamentais para o funcionamento de várias tecnologias, incluindo eletrolisadores e células a combustível de hidrogênio.
Embora muitas empresas e start-ups estejam utilizando membranas bipolares para desenvolver novas tecnologias energéticas, os seus princípios de funcionamento subjacentes e a cinética de solvatação de iões ainda não foram totalmente elucidados.
Uma melhor compreensão destes princípios poderia informar a futura fabricação destes materiais e facilitar a sua integração bem sucedida em vários dispositivos.
Pesquisadores do Instituto Fritz-Haber da Sociedade Max Planck realizaram recentemente um estudo para examinar a dissociação da água e a cinética do solvaton de íons na interface entre as duas camadas em membranas bipolares.
Seu artigo, publicado na Nature Energy, reuniu novos insights valiosos que poderiam orientar o projeto futuro dessas membranas e de eletrocatalisadores promissores para células de combustível.
“Queríamos compreender os princípios fundamentais de funcionamento das membranas bipolares e como elas se conectam à eletroquímica de forma mais ampla”, disse Sebastian Oener, autor correspondente do estudo, ao Tech Xplore.
“As membranas bipolares existem há mais de 65 anos, mas as explicações anteriores sobre os seus princípios de funcionamento eram bastante insatisfatórias.
Queríamos mudar isso, ligando dois campos que antes se pensava serem separados.”
Para conduzir o estudo, Carlos Gomez Rodellar, primeiro autor e Ph.D.
estudante do Departamento de Ciências da Interface, teve que enfrentar vários desafios de pesquisa em um ambiente experimental.
Em primeiro lugar, ele teve que configurar e avaliar um sistema que lhe permitisse estudar a cinética de membranas bipolares sem interferências indesejáveis do cruzamento de íons eletrolíticos.
“Este sistema teve que aplicar pressão física continuamente no conjunto do eletrodo de membrana com os catalisadores de óxido metálico dentro da junção bipolar”, explicou Oener.
“Finalmente, Carlos teve que projetar todo o sistema de tal forma que pudéssemos alterar de forma controlada a temperatura da célula e dos gases umidificados para fazer a análise de Arrhenius e extrair a entropia e a entalpia de ativação dependentes de polarização.
Tudo isso pode ser fornecido com um estação de teste de células de combustível modificada.” As medições coletadas pelos pesquisadores pintam um quadro abrangente dos princípios fundamentais que sustentam o funcionamento das membranas bipolares.
Especificamente, eles revelaram relações dependentes de polarização entre a entropia de ativação e a entalpia dentro da junção bipolar, o que parece estar relacionado a uma dispersão dependente de polarização da capacitância interfacial.
A equipe também observou que a cinética de solvatação em membranas bipolares apresenta características que não estão relacionadas à composição química dos catalisadores empregados, mas provavelmente são originadas de mudanças entrópicas no eletrólito interfacial.
Coletivamente, esses insights poderiam ajudar a desenvolver membranas bipolares de melhor desempenho para eletrodiálise, eletrolisadores de CO2 e células de combustível H2.
“Existem muitas aplicações diferentes de membranas bipolares que estão sendo exploradas em todo o mundo, inclusive em start-ups promissoras”, disse Oener.
“Há realmente muito potencial.
Além das membranas bipolares, também fomos capazes de mostrar que a mesma física está em jogo quando a água é dissociada e os íons hidróxido são solvatados nas interfaces do eletrocatalisador.” Os resultados reunidos pelo grupo de pesquisa do Departamento de Ciência de Interface do Instituto Fritz Haber demonstram a importância das mudanças entrópicas no lado do solvente nas interfaces líquido-sólido.
Seu trabalho poderia, portanto, também orientar o projeto de novos eletrocatalisadores promissores para iniciar reações químicas específicas, como as necessárias para gerar hidrogênio verde a partir de eletrólitos alcalinos.
“Em relação às membranas bipolares, ainda existem questões fundamentais em aberto que queremos abordar”, acrescentou Oener.
“Por exemplo, a reação de formação de água é importante quando as membranas bipolares são executadas na direção direta.
Também exploramos várias aplicações em colaboração com outros.
Estas incluem diferentes tipos de células de combustível e sistemas do tipo eletrodiálise.
Quando se trata de solvatação de íons em eletrocatálise, temos vários projetos que já estão em revisão ou estão próximos de serem enviados.
Publicado em 17/04/2024 12h05
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