Os investigadores desenvolveram um novo método que reduz em 95% o irídio necessário para produzir hidrogénio “verde”, mantendo as taxas de produção e prometendo aumentar a viabilidade de uma economia de hidrogénio neutra em carbono. Crédito: SciTechDaily.com
Uma equipa de investigação japonesa conseguiu um avanço na produção de hidrogénio, reduzindo a necessidade de irídio em 95% sem comprometer a eficiência, abrindo caminho para soluções energéticas de hidrogénio sustentáveis e em grande escala.
À medida que o mundo transita de uma economia energética baseada em combustíveis fósseis, muitos apostam no hidrogénio para se tornar a moeda energética dominante. Mas produzir hidrogénio “verde” sem utilizar combustíveis fósseis ainda não é possível na escala que necessitamos porque requer irídio, um metal extremamente raro.
Em estudo publicado hoje (9 de maio) na revista Ciência, pesquisadores liderados por Ryuhei Nakamura do Centro RIKEN para Ciência de Recursos Sustentáveis (CSRS) no Japão relatam um novo método que reduz a quantidade de irídio necessária para a reação em 95%, sem alterar a taxa de produção de hidrogênio. Este avanço poderá revolucionar a nossa capacidade de produzir hidrogénio ecologicamente correto e ajudar a inaugurar uma economia de hidrogénio neutra em carbono.
Imagem de microscópio eletrônico de varredura do óxido de irídio sintetizado (D) e imagens de microscópio eletrônico de transmissão de varredura do irídio (pontos brilhantes) dispersos em óxido de manganês eletrodepositado em uma malha de titânio revestida de platina resistente à corrosão (E,F,G). Crédito: RIKEN
Desafios da produção de hidrogênio
Com 70% do mundo coberto por água, o hidrogénio é verdadeiramente uma fonte renovável de energia. No entanto, ainda não é possível extrair hidrogénio da água numa escala que possa rivalizar com a produção de energia baseada em combustíveis fósseis. A actual produção global de energia é de quase 18 terawatts, o que significa que, num determinado momento, estão a ser produzidos, em média, cerca de 18 biliões de watts de energia em todo o mundo. Para que métodos alternativos verdes de produção de energia substituam os combustíveis fósseis, devem ser capazes de atingir as mesmas taxas de produção de energia.
A maneira verde de extrair hidrogênio da água é uma reação eletroquímica que requer um catalisador. Os melhores catalisadores para esta reação – aqueles que produzem a taxa mais alta e a produção de hidrogênio mais estável – são metais raros, sendo o irídio o melhor dos melhores. Mas a escassez de irídio é um grande problema. “O irídio é tão raro que estima-se que aumentar a produção global de hidrogênio para a escala de terawatts exigirá 40 anos de irídio”, diz o co-autor Shuang Kong.
Inovações no desenvolvimento de catalisadores
A equipe de pesquisa de catalisadores biofuncionais da RIKEN CSRS está tentando contornar o gargalo do irídio e encontrar outras maneiras de produzir hidrogênio em altas taxas por longos períodos de tempo. A longo prazo, esperam desenvolver novos catalisadores baseados em metais terrosos comuns, que serão altamente sustentáveis. Na verdade, a equipe recentemente bem sucedido na estabilização da produção de hidrogénio verde a um nível relativamente elevado, utilizando uma forma de óxido de manganês como catalisador. No entanto, alcançar a produção a nível industrial desta forma ainda está a anos de distância.
“Precisamos de uma forma de preencher a lacuna entre os eletrolisadores à base de metais raros e de metais comuns, para que possamos fazer uma transição gradual ao longo de muitos anos para o hidrogénio verde completamente sustentável”, diz Nakamura. O estudo atual faz exatamente isso combinando manganês com irídio. Os pesquisadores descobriram que quando espalharam átomos de irídio individuais em um pedaço de óxido de manganês para que não se tocassem ou se amontoassem, a produção de hidrogênio em um eletrolisador de membrana de troca de prótons (PEM) foi sustentada na mesma taxa que quando usando irídio sozinho, mas com 95% menos irídio.
Direções Potenciais e Futuras
Com o novo catalisador, a produção contínua de hidrogênio foi possível por mais de 3.000 horas (cerca de 4 meses) com eficiência de 82% sem degradação. “A interação inesperada entre o óxido de manganês e o irídio foi fundamental para o nosso sucesso”, diz o coautor Ailong Li. “Isso ocorre porque o irídio resultante dessa interação estava no raro e altamente ativo estado de oxidação +6.”
Nakamura acredita que o nível de produção de hidrogénio alcançado com o novo catalisador tem elevado potencial de utilidade imediata. “Esperamos que nosso catalisador seja facilmente transferido para aplicações do mundo real”, diz ele, “o que aumentará imediatamente a capacidade dos atuais eletrolisadores PEM”.
A equipe começou a colaborar com parceiros da indústria, que já conseguiram melhorar o catalisador inicial de irídio-manganês. No futuro, os pesquisadores do RIKEN CSRS planejam continuar investigando a interação química específica entre o irídio e o óxido de manganês, na esperança de reduzir ainda mais a quantidade de irídio necessário. Ao mesmo tempo, continuarão a colaborar com parceiros industriais e planearão implantar e testar o novo catalisador em escala industrial num futuro próximo.
Referência: “Óxido de irídio hexavalente atomicamente disperso da redução de MnO2 para catálise de evolução de oxigênio” 9 de maio de 2024, Ciência.
DOI: 10.1126/science.adg5193
