Como pode o hidrogénio verde ser produzido de forma mais eficiente e barata? Pequenas partículas de rutênio e sistemas de eletrólise solar de água poderiam fornecer a resposta. Esta é a solução identificada por uma equipa conjunta composta pelo Instituto Italiano de Tecnologia (IIT) de Génova e pela BeDimensional S.p.A. (uma empresa spin-off do IIT).
A tecnologia, desenvolvida no âmbito das atividades do laboratório conjunto e publicada recentemente em duas revistas de alto fator de impacto (Nature Communications e Journal of the American Chemical Society), baseia-se numa nova família de eletrocatalisadores que poderá reduzir o custo da produção de hidrogénio verde em escala industrial.
O hidrogénio é considerado um transportador de energia sustentável e uma alternativa aos combustíveis fósseis. Mas nem todo o hidrogénio é criado da mesma forma no que diz respeito ao impacto ambiental. Na verdade, o principal método atual de produção de hidrogénio é a reforma a vapor do metano, um processo baseado em combustível fóssil que liberta dióxido de carbono (CO2) como subproduto.
O hidrogênio produzido por esse processo é classificado em “cinza” (o dióxido de carbono é liberado na atmosfera) e “azul” (o dióxido de carbono é capturado e armazenado geologicamente). Para reduzir significativamente as emissões a zero até 2050, estes processos devem ser substituídos por processos mais sustentáveis do ponto de vista ambiental para fornecer hidrogénio "verde" (ou seja, emissões líquidas zero). O custo do hidrogénio “verde” depende principalmente da eficiência energética do dispositivo (eletrolisador) que separa as moléculas de água em hidrogénio e oxigénio.
Os investigadores da equipa conjunta responsável pela descoberta desenvolveram um novo método que promete maior eficiência do que os métodos actualmente conhecidos na conversão de energia eléctrica (o viés energético explorado ao dividir as moléculas de água) em energia química armazenada nas moléculas de hidrogénio resultantes. A equipe de pesquisa desenvolveu o conceito de catalisador e utilizou energia renovável, como a eletricidade gerada por painéis solares.
“Nosso estudo mostra que é possível maximizar a eficiência de uma tecnologia madura, apesar de um investimento inicial ligeiramente superior ao exigido para eletrolisadores padrão. Isso ocorre porque utilizamos rutênio, um metal precioso”, comentam Zuo Yong e Michele Ferri do Grupo de Nanoquímica do Instituto Politécnico Internacional de Gênova.
Os pesquisadores usaram nanopartículas de rutênio, um metal precioso que possui propriedades químicas semelhantes às da platina, mas é muito mais barato. As nanopartículas de rutênio servem como fase ativa no cátodo do eletrolisador, aumentando assim a eficiência do eletrolisador geral.
“Avaliamos a atividade catalítica do nosso material realizando análises e testes eletroquímicos em condições industrialmente importantes. Além disso, simulações teóricas nos permitiram compreender o comportamento catalítico das nanopartículas de rutênio em nível molecular; “Combinando dados experimentais e outros parâmetros de processo, realizamos uma análise técnico-econômica que mostrou que a tecnologia é competitiva em comparação com eletrolisadores de última geração”.
O rutênio, um metal precioso produzido como subproduto da extração da platina, é produzido em pequenas quantidades (30 toneladas por ano em comparação com as 200 toneladas por ano da platina), mas a um custo menor (US$ 18,50 por grama em comparação com os US$ 30 da platina). A nova tecnologia usa apenas 40 miligramas de rutênio por quilowatt, em contraste com o uso pesado de platina (até 1 grama por quilowatt) e irídio (1 a 2,5 gramas por quilowatt) no eletrolisador de membrana de troca de prótons, com o irídio custando cerca de US$ 150 por grama).
Ao utilizar o ruténio, investigadores do Instituto Indiano de Tecnologia e da BeDimensional melhoraram a eficiência dos eletrolisadores alcalinos, uma tecnologia que tem sido utilizada há décadas devido à sua robustez. Por exemplo, esta tecnologia foi utilizada na cápsula espacial Apollo 11 que enviou humanos à Lua em 1969. Uma gama recentemente desenvolvida de cátodos à base de ruténio para eletrolisadores alcalinos é altamente eficiente e tem uma longa vida útil, reduzindo assim o custo da produção de hidrogénio verde.
“No futuro, pretendemos aplicar esta e outras tecnologias, como catalisadores nanoestruturados baseados em materiais 2D sustentáveis, em eletrolisadores atualizados alimentados por fontes de energia renováveis, incluindo eletricidade gerada por painéis fotovoltaicos”, concluíram os investigadores.
Fonte compilada: ScitechDaily