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Pesquisadores da Universidade da Virgínia identificaram uma molécula orgânica que poderia servir como uma alternativa mais barata e sustentável à platina em células de combustível, prometendo avanços significativos na tecnologia de energia limpa.
Os níveis atmosféricos de dióxido de carbono atingiram níveis sem precedentes, intensificando a necessidade de soluções de energia limpa como alternativas aos combustíveis fósseis. Um obstáculo que os investigadores enfrentam é que a actual tecnologia de células de combustível depende da utilização de catalisadores metálicos caros, como a platina, para converter hidrogénio em energia; no entanto, uma equipe da Faculdade e Escola de Pós-Graduação em Artes e Ciências da Universidade da Virgínia identificou uma molécula orgânica que poderia ser um substituto eficaz e menos dispendioso para os catalisadores metálicos convencionais.
As células de combustível que tornam possíveis veículos elétricos e geradores industriais e residenciais e que são necessárias para armazenar a energia gerada pelo vento ou pelo sol usam metais como a platina para desencadear a reação química que divide fontes de combustível como o gás hidrogênio em prótons e elétrons que são então aproveitados como eletricidade.
Até agora, os substitutos orgânicos para catalisadores de metais raros não eram considerados práticos porque o processo de catálise fazia com que eles se quebrassem em componentes que não eram mais úteis. Em artigo publicado no Jornal da Sociedade Química Americana, no entanto, os professores associados de química Charles Machan e Michael Hilinski, junto com o Ph.D. as estudantes Emma Cook e Anna Davis identificam uma molécula orgânica composta de carbono, hidrogênio, nitrogênio e flúor que tem potencial para ser um substituto prático.
Potencial e estabilidade do novo catalisador
A molécula pode não apenas iniciar a redução do oxigênio – a reação que ocorre dentro da célula a combustível – disse Machan; pode continuar a reagir com os produtos da reação e depois voltar ao seu estado original.
“Essas moléculas são estáveis sob condições em que a maioria das moléculas se degrada e continuam a atingir uma atividade que corresponde ao nível dos catalisadores de metais de transição”, disse Machan.
Charles Machan (esquerda) e Michael Hilinski (direita) identificaram uma molécula orgânica que poderia substituir o uso de metais raros e caros em células de combustível. Crédito: Universidade da Virgínia
A descoberta representa um avanço significativo na busca por células de combustível eficientes que utilizem materiais mais sustentáveis e menos dispendiosos de produzir e pode resultar no desenvolvimento da próxima geração de células de combustível nos próximos cinco a dez anos, mas a descoberta da equipe as descobertas são apenas o começo.
“Esta molécula em si pode não se transformar numa célula de combustível”, disse Machan. “O que esta descoberta diz é que pode haver materiais catalíticos à base de carbono, e se você modificar aqueles com certos grupos químicos, poderá esperar transformá-los em grandes catalisadores para a reação de redução de oxigênio. O objetivo final é integrar as propriedades que tornam esta molécula tão estável num material a granel, a fim de suplantar o uso da platina.”
Implicações mais amplas e pesquisas futuras
Hilinski, cujo grupo de pesquisa se concentra em química orgânica, enfatizou a importância da natureza interdisciplinar da equipe de pesquisa. “Essa molécula que usamos como catalisador tem uma história em meu laboratório, mas sempre pesquisamos seu uso em reações químicas que são realizadas em moléculas muito maiores e que contêm carbono – como os princípios ativos dos medicamentos”, disse Hilinski. “Sem a experiência de Charlie Machan, não creio que teríamos feito a ligação à química das células de combustível.”
A descoberta também poderá ter implicações para a produção industrial de peróxido de hidrogénio, um produto doméstico que também é utilizado na produção de papel e no tratamento de águas residuais.
“O processo de produção de peróxido de hidrogênio é prejudicial ao meio ambiente e consome muita energia”, disse Machan. “É necessária a reforma do metano a vapor em alta temperatura para liberar o hidrogênio usado para gerá-lo.”
As descobertas de sua equipe também poderiam melhorar o componente catalítico desse processo, o que poderia ter impactos positivos na indústria e no meio ambiente, bem como na tecnologia de tratamento de água.
Hilinski também destacou que a descoberta e a colaboração que a levou a ela poderiam ter impactos que vão muito além do armazenamento de energia. “No geral, uma das coisas mais interessantes sobre este estudo é que, ao eletrificar o catalisador, mudamos a forma como ele reage. Isto é algo inesperado que também poderá ser útil para a síntese de medicamentos, que o meu grupo de investigação está ansioso por explorar.”
Machan, cujo grupo de pesquisa se concentra em eletroquímica molecular, também credita a natureza interdisciplinar da equipe de pesquisa pela descoberta.
“Sem o know-how do grupo de Mike Hilinski em produzir moléculas orgânicas estáveis que possam sofrer o tipo de reações necessárias, o trabalho não teria sido possível. Esta molécula orgânica única permitiu-nos fazer algo que normalmente só os metais de transição conseguem fazer”, disse Machan.
Referência: “Redução de O2 homogêneo sem metal por um eletrocatalisador à base de imínio” por Emma N. Cook, Anna E. Davis, Michael K. Hilinski e Charles W. Machan, 15 de março de 2024, Jornal da Sociedade Química Americana.
DOI: 10.1021/jacs.3c14549
