Nanocompósito

Diálogo de 30 de agosto de 2023

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por Ankur Kumar e Sasanka Deka

A diminuição dos recursos energéticos convencionais baseados em combustíveis fósseis e as suas consequências ambientais relacionadas têm chamado a atenção em todo o mundo para o desenvolvimento de recursos energéticos renováveis. Estes recursos energéticos renováveis ​​podem não satisfazer todas as necessidades energéticas da grande população mundial; no entanto, limitam os efeitos dos gases com efeito de estufa, bem como a poluição atmosférica causada pela queima de combustíveis fósseis. Entre os recursos alternativos, o hidrogénio é considerado o transportador de energia mais limpo.

No entanto, o hidrogénio não existe no seu estado puro na natureza, como o oxigénio, e tem de ser produzido a partir de recursos que contêm hidrogénio, como gás natural (metano), carvão, biomassa e água, através de reforma, decomposição térmica ou eletrólise. Mas a produção de hidrogénio a partir de gás natural, carvão e biomassa leva à emissão do gás com efeito de estufa dióxido de carbono (CO2).

Sabemos que a água (H2O) é composta por átomos de hidrogênio e oxigênio; portanto, a água do mar poderia ser uma fonte ilimitada de hidrogênio. Portanto, o hidrogénio é considerado um possível substituto dos combustíveis fósseis. A produção por meio de energia renovável (usando energia eólica, solar, hidrelétrica, das ondas ou similar) é denominada "hidrogênio verde". Neste cenário, dividir a água em hidrogênio e oxigênio usando eletricidade renovável em um eletrolisador na superfície de um eletrocatalisador robusto é uma técnica proposta.

Apesar dos avanços no campo, o processo de cuspidor de água para produzir hidrogénio verde acessível ainda permanece lento devido a limitações relacionadas com eletrocatalisadores eficientes. Em teoria, a água se divide a 1,23 V. Porém, em termos práticos, esse valor é superior a 1,5 V (significando desperdício de energia adicional). Esta energia mínima é teoricamente necessária para quebrar a molécula de água. Eletrocatalisadores caros à base de metais nobres e preciosos, por exemplo, Pt, Pd, Au, Rh, Ir, etc., são usados ​​no eletrolisador para este processo.

Os principais problemas que a indústria e os especialistas enfrentam são a oxidação da água para produzir O2 e a estabilidade do catalisador em condições alcalinas industriais adversas. No primeiro problema, a reação de meia célula é uma reação ascendente onde quatro elétrons estão envolvidos e onde a maior parte da energia é necessária, além da perda de energia associada à resistividade dos diferentes componentes (eletrólito, conexões, catalisador, etc.) do o eletrolisador. No segundo problema, os catalisadores caros muitas vezes perdem a sua actividade devido à degradação da superfície. Nestas condições, é necessário um eletrocatalisador barato e acessível, mas altamente ativo e estável, para tal reação de divisão da água.

Em um estudo recente, nossa equipe, liderada por Sasanka Deka, projetou e desenvolveu um novo eletrocatalisador baseado em nanocompósito, altamente eficiente, mas ainda assim econômico, para a divisão geral da água. Um nanocompósito é uma mistura homogênea de dois ou mais materiais presentes na faixa nanométrica. O presente nanocompósito é uma nanoarquitetura baseada em nanopartículas desligadas de NiCu em nanofolhas hierárquicas de Co. Nossas descobertas foram publicadas na revista ACS Catalysis.

Os materiais utilizados são mais baratos que os metais preciosos e o procedimento de síntese é altamente conveniente. Este novo catalisador foi utilizado em um eletrolisador em eletrólito de hidróxido de potássio (KOH) para a divisão da água. Curiosamente, o sistema mostra a divisão da água e a produção de gás hidrogênio usando o eletrocatalisador NiCu/Co na tensão da célula de 1,46 V. Assim, o eletrocatalisador é capaz de dividir a água usando apenas uma bateria doméstica de 1,5 volts.