Uma reação eletroquímica que separa as moléculas de água para produzir oxigênio está no centro de várias abordagens com o objetivo de produzir combustíveis alternativos para transporte. Mas essa reação precisa ser facilitada por um material catalisador, e as versões atuais exigem o uso de elementos raros e caros, como o irídio, limitando o potencial de produção desse combustível.
Agora, pesquisadores do MIT e de outros lugares desenvolveram um tipo inteiramente novo de material catalisador, chamado de estrutura orgânica de hidróxido de metal (MHOF), que é feita de componentes baratos e abundantes. A família de materiais permite que os engenheiros ajustem com precisão a estrutura e a composição do catalisador às necessidades de um processo químico específico, podendo, então, igualar ou superar o desempenho dos catalisadores convencionais e mais caros.
As descobertas são descritas hoje na revista Nature Materials, em um artigo do pós-doutorado do MIT Shuai Yuan, do estudante de pós-graduação Jiayu Peng, do professor Yang Shao-Horn, do professor Yuriy Román-Leshkov e outros nove.
As reações de evolução do oxigênio são uma das reações comuns à produção eletroquímica de combustíveis, produtos químicos e materiais. Esses processos incluem a geração de hidrogênio como subproduto da evolução do oxigênio, que pode ser usado diretamente como combustível ou sofrer reações químicas para produzir outros combustíveis de transporte; a fabricação de amônia, para uso como fertilizante ou matéria-prima química; e redução de dióxido de carbono para controlar as emissões.
Mas sem ajuda, “essas reações são lentas”, diz Shao-Horn. “Para uma reação com cinética lenta, você tem que sacrificar a voltagem ou energia para promover a taxa de reação.” Por causa da entrada de energia extra necessária, “a eficiência geral é baixa. É por isso que as pessoas usam catalisadores”, diz ela, pois esses materiais promovem reações naturalmente diminuindo a entrada de energia.
Mas até agora, esses catalisadores “estão todos contando com materiais caros ou metais de transição tardios que são muito escassos, por exemplo, óxido de irídio, e tem havido um grande esforço na comunidade para encontrar alternativas baseadas em materiais abundantes na Terra que tenham o mesmo desempenho em termos de atividade e estabilidade”, diz Román-Leshkov. A equipe diz ter encontrado materiais que fornecem exatamente essa combinação de características.
Outras equipes exploraram o uso de hidróxidos metálicos, como hidróxidos de níquel-ferro, diz Román-Leshkov. Mas esses materiais têm sido difíceis de adaptar aos requisitos de aplicações específicas. Agora, porém, “a razão pela qual nosso trabalho é bastante empolgante e bastante relevante é que encontramos uma maneira de adaptar as propriedades nanoestruturando esses hidróxidos metálicos de uma maneira única”.
A equipe emprestou pesquisas que foram feitas em uma classe relacionada de compostos conhecidos como estruturas metal-orgânicas (MOFs), que são um tipo de estrutura cristalina feita de nós de óxido metálico ligados a moléculas orgânicas de ligação. Ao substituir o óxido metálico em tais materiais por certos hidróxidos metálicos, descobriu a equipe, tornou-se possível criar materiais ajustáveis com precisão que também tinham a estabilidade necessária para serem potencialmente úteis como catalisadores.
“Você coloca essas cadeias desses ligantes orgânicos um ao lado do outro, e elas realmente direcionam a formação de folhas de hidróxido de metal que são interconectadas com esses ligantes orgânicos, que são empilhados e têm maior estabilidade”, diz Román-Leshkov. Isso tem vários benefícios, diz ele, ao permitir um controle preciso sobre a padronização nanoestruturada, permitindo o controle preciso das propriedades eletrônicas do metal, e também proporcionando maior estabilidade, permitindo que resistam a longos períodos de uso.
Ao testar esses materiais, os pesquisadores descobriram que o desempenho dos catalisadores era “surpreendente”, diz Shao-Horn. “É comparável ao dos materiais de óxido de última geração que catalisam a reação de evolução do oxigênio.”
Sendo compostos em grande parte por níquel e ferro, esses materiais devem ser pelo menos 100 vezes mais baratos que os catalisadores existentes, dizem eles, embora a equipe ainda não tenha feito uma análise econômica completa.
Essa família de materiais “realmente oferece um novo espaço para ajustar os locais ativos para catalisar a divisão da água para produzir hidrogênio com entrada de energia reduzida”, diz Shao-Horn, para atender às necessidades exatas de qualquer processo químico em que esses catalisadores sejam necessários.
Os materiais podem fornecer “cinco vezes maior afinação” do que os catalisadores à base de níquel existentes, diz Peng, simplesmente substituindo diferentes metais no lugar do níquel no composto. “Isso potencialmente ofereceria muitos caminhos relevantes para futuras descobertas”. Os materiais também podem ser produzidos em folhas extremamente finas, que podem então ser revestidas em outro material, reduzindo ainda mais os custos de material desses sistemas.
Até agora, os materiais foram testados em dispositivos de teste de laboratório de pequena escala, e a equipe agora está abordando as questões de tentar ampliar o processo para escalas comercialmente relevantes, o que ainda pode levar alguns anos. Mas a ideia tem um grande potencial, diz Shao-Horn, para ajudar a catalisar a produção de combustível de hidrogênio limpo e livre de emissões, para que “podemos reduzir o custo do hidrogênio desse processo sem sermos limitados pela disponibilidade de metais preciosos”. . Isso é importante, porque precisamos de tecnologias de produção de hidrogênio que possam ser dimensionadas.”
Publicado em 01/03/2022 17h54
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