Investigadores do INL criaram um catalisador com 20,5% de metais preciosos, contra 40% de platina no padrão comercial. A célula aguentou mais de 300 horas estável. E, ao contrário do habitual, melhora o desempenho quando começa a funcionar: a superfície ativa-se em vez de se degradar.
Produzir hidrogénio verde pode vir a exigir muito menos metal precioso.
Um catalisador criado no International Iberian Nanotechnology Laboratory (INL), em Braga, superou um dos catalisadores comerciais de referência usando cerca de metade dos metais preciosos em peso.
A equipa do Kolen’ko Research Group combinou platina, níquel e ruténio numa liga que catalisa a reação em eletrolisadores de água do tipo PEM (membrana de permuta de protões).
O estudo foi publicado na quinta-feira na Chemical Engineering Journal.
A eletrólise da água por membrana de permuta de protões (PEMWE) usa eletricidade para separar a água em hidrogénio e oxigénio. Usa energias renováveis, e é uma das vias mais promissoras para o hidrogénio verde.
Mas esbarra no custo: a reação no cátodo precisa de muita platina e de outros metais do mesmo grupo, que são raros e caros.
É aqui que entra a liga de Braga. Tem só 20,5% de metais preciosos em peso, contra os 40% de platina do catalisador comercial que serviu de referência. Ainda assim, bateu-o em vários parâmetros. Numa célula única, atingiu uma densidade de corrente de 1,0 A/cm² a 1,6 V.
As partículas são minúsculas: 1,5 nanómetros de diâmetro, espalhadas de forma uniforme sobre uma folha de grafeno cheia de defeitos. Para as fazer, a equipa recorreu a um reator de síntese em fluxo contínuo.
O mais curioso é o que se passa durante o funcionamento. No início, a superfície das partículas está coberta por óxido de níquel. Quando passa corrente, esse óxido é reduzido e deixa à vista a liga metálica que está por baixo.
“O catalisador não se degrada, ativa-se”, diz Sitaramanjaneya Mouli Thalluri, autor correspondente do estudo, em comunicado do Kolen’ko Group.
“É contraintuitivo, e é exatamente o que se quer para trabalhar durante muito tempo.” A mudança na superfície foi confirmada com radiação de sincrotrão, por espetroscopia de absorção de raios X.
Kolen’ko Group / Chemical Engineering Journal
É isso que explica a durabilidade. A 60 °C, a temperatura a que estes sistemas costumam trabalhar na indústria, a célula manteve a tensão estável mais de 300 horas.
O catalisador comercial, no mesmo ensaio, foi perdendo desempenho ao longo do tempo.
A forma de fabrico também importa. Juntar metais com potenciais de redução muito diferentes é complicado, porque é preciso acertar o momento em que cada um se forma.
“A síntese em fluxo contínuo é o que muda tudo aqui”, explica Srinivas Katam, coautor correspondente. “O reator consegue coordenar esse processo de uma maneira que a química por lotes não permite, e isso abre caminho do laboratório para a indústria”.
“Este trabalho mostra que as ligas de entropia média, feitas por síntese em fluxo contínuo, conseguem fugir ao velho compromisso entre atividade e estabilidade”, resume o co-autor Yury V. Kolen’ko.
Para o investigador russo, que lidera o grupo no INL, o método serve para muito mais do que o hidrogénio e pode ajudar a desenhar outros catalisadores com carga reduzida de metal precioso.
Por agora, é um resultado de célula única, obtido em laboratório. Falta testar a liga em eletrolisadores maiores, o passo seguinte a caminho de sistemas à escala industrial.
O contexto é político. A União Europeia quer chegar a 10 milhões de toneladas de hidrogénio renovável por ano até 2030, uma meta do Pacto Ecológico Europeu e do plano REPowerEU. Para lá chegar, é preciso baixar o custo da PEMWE.
Ao gastar menos metal precioso e durar mais tempo, esta liga mexe em dois dos maiores obstáculos: o preço e a longevidade.
(ZAP)