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Quinta-feira, Julho 7, 2022

Novos catalisadores avançados para uma produção limpa de hidrogênio mais eficiente

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A pesquisa da Oregon State University sobre o projeto de catalisadores mostrou que o hidrogênio pode ser produzido de forma limpa, com muito mais eficiência e a um custo mais baixo do que seria possível com os atuais catalisadores disponíveis no mercado.

Um catalisador é uma substância que aumenta a taxa de uma reação química sem sofrer qualquer alteração química permanente.

As descobertas são significativas porque a produção de hidrogênio é importante para “muitos aspectos de nossa vida, como células de combustível para carros e a fabricação de muitos produtos químicos úteis, como amônia”, disse Zhenxing Feng da Faculdade de Engenharia da OSU, professor de engenharia química quem liderou a pesquisa. “Ele também é usado no refino de metais, para a produção de materiais sintéticos, como plásticos e para uma série de outros fins.”

A produção de hidrogênio pela divisão da água por meio de um processo catalítico eletroquímico é mais limpa e sustentável do que o método convencional de derivar hidrogênio do gás natural por meio de um processo de produção de dióxido de carbono conhecido como reforma de metano-vapor, disse Feng. Mas o custo da técnica mais verde tem sido uma barreira no mercado.

As novas descobertas, que descrevem maneiras de projetar catalisadores que podem melhorar muito a eficiência do processo de produção de hidrogênio limpo, foram publicadas em Avanços da Ciência e JACS Au.

Zhenxing Feng

Zhenxing Feng, OSU. Crédito: OSU

Ao facilitar os processos de reação, os catalisadores costumam sofrer mudanças estruturais, disse Feng. Às vezes, as mudanças são reversíveis, outras vezes irreversíveis, e acredita-se que a reestruturação irreversível degrada a estabilidade do catalisador, levando a uma perda da atividade catalítica que diminui a eficiência da reação.

Feng, OSU Ph.D. o aluno Maoyu Wang e colaboradores estudaram a reestruturação de catalisadores na reação e, em seguida, manipularam sua estrutura e composição de superfície em escala atômica para obter um processo catalítico altamente eficiente para a produção de hidrogênio.

Uma fase ativa de um catalisador baseado em hidróxido de irídio amorfo exibiu eficiência 150 vezes maior que sua estrutura original de perovskita e quase três ordens de magnitude melhor do que o catalisador comercial comum, óxido de irídio.

“Encontramos pelo menos dois grupos de materiais que passam por mudanças irreversíveis que se revelaram catalisadores significativamente melhores para a produção de hidrogênio”, disse Feng. “Isso pode nos ajudar a produzir hidrogênio a US $ 2 por quilo e, eventualmente, a US $ 1 por quilo. Isso é menos caro do que o processo poluente nas indústrias atuais e ajudará a atingir a meta dos Estados Unidos de emissões zero até 2030 ”.

Feng observa que o Departamento de Energia, Hidrogênio e Escritório de Tecnologias de Células de Combustível dos Estados Unidos estabeleceu padrões de referência de tecnologias que podem produzir hidrogênio limpo a US $ 2 por quilo até 2025 e US $ 1 por quilo até 2030 como parte da meta do Hydrogen Energy Earthshot de cortar custos de energia limpa hidrogênio em 80%, de $ 5 a $ 1 por quilograma, em uma década.

O tecnologia de eletrólise de água para a produção de hidrogênio limpo, que o grupo de Feng está focado, usa eletricidade de fontes renováveis ​​para dividir a água para produzir hidrogênio limpo. No entanto, a eficiência da separação da água é baixa, disse ele, principalmente devido ao alto sobrepotencial – a diferença entre o potencial real e o potencial teórico de uma reação eletroquímica – de uma meia-reação chave no processo, a reação de evolução de oxigênio ou REA.

“Os catalisadores são essenciais para promover a reação de divisão da água, reduzindo o superpotencial e, portanto, reduzindo o custo total para a produção de hidrogênio”, disse Feng. “Nosso primeiro estudo em JACS Au estabeleceu a base para nós e, conforme demonstrado em nosso artigo da Science Advances, agora podemos manipular melhor os átomos na superfície para projetar catalisadores com a estrutura e composição desejadas.”

Referências:

“Lixiviação de metal dependente do local da rede em perovskitas em direção a um catalisador de oxidação de água semelhante a um favo de mel” por Yubo Chen, Yuanmiao Sun, Maoyu Wang, Jingxian Wang, Haiyan Li, Shibo Xi, Chao Wei, Pinxian Xi, George E. Sterbinsky, John W . Freeland, Adrian C. Fisher, Joel W. Ager, Zhenxing Feng e Zhichuan J. Xu, 10 de dezembro de 2021, Avanços da Ciência.
DOI: 10.1126 / sciadv.abk1788

“O CoO Induzido pela Reestruturaçãox Catalisador para divisão eletroquímica de água “por Maoyu Wang, Qingbo Wa, Xiaowan Bai, Zuyun He, Widitha S. Samarakoon, Qing Ma, Yingge Du, Yan Chen, Hua Zhou, Yuanyue Liu, Xinwei Wang e Zhenxing Feng, 2 de novembro de 2021, JACS Au.
DOI: 10.1021 / jacsau.1c00346

A National Science Foundation apoiou a pesquisa de Feng por meio do site Northwest Nanotechnology Infrastructure na OSU, e o Departamento de Energia também forneceu financiamento.

Colaborando com Feng e Wang estavam pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne, da Universidade do Texas, da Universidade de Pequim, do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico, Northwestern University, South China University of Technology, a University of Cambridge, o Universidade da California, Berkeleye a Universidade Tecnológica de Nanyang de Cingapura.





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