
Pesquisas avançadas em eletroquímica na Universidade de Jyväskylä revelaram como vários fatores, especialmente íons eletrolíticos, impactam as reações eletroquímicas. Este trabalho, combinando abordagens teóricas e experimentais, contribui para o desenvolvimento de células de combustível eficientes e soluções energéticas neutras em carbono.
Novas pesquisas sobre reações eletroquímicas destacam o papel crítico dos íons eletrolíticos, auxiliando no avanço de tecnologias energéticas sustentáveis.
As reações eletroquímicas são fundamentais para a transição verde. Essas reações utilizam a corrente elétrica e a diferença de potencial para realizar reações químicas, o que permite ligar e realizar energia elétrica a partir de ligações químicas. Esta química é a base para diversas aplicações, como tecnologia de hidrogénio, baterias e vários aspectos da economia circular.
O desenvolvimento e a melhoria dessas tecnologias exigem uma visão detalhada das reações eletroquímicas e dos diferentes fatores que as impactam. Estudos recentes mostraram que, além do material do eletrodo, também o solvente utilizado, sua acidez e os íons eletrolíticos utilizados impactam crucialmente a eficiência das reações eletroquímicas. Portanto, o foco recente mudou para estudar como as interfaces eletroquímicas, ou seja, o ambiente de reação no eletrodo e a interface eletrolítica mostrada na Figura 1, impactam o resultado das reações eletroquímicas.

Figura 1. A interface eletroquímica é um ambiente de reação muito complexo onde diversas interações e processos contribuem para uma reação química. Crédito: Marko Melander
Convertendo Dióxido de Carbono
No entanto, compreender a química interfacial utilizando apenas métodos experimentais é extremamente difícil, uma vez que são muito finos, apenas uma fração de nanômetro. Computacional e teórico são, portanto, cruciais, pois fornecem uma maneira precisa de estudar as interfaces eletroquímicas no nível atômico e em função do tempo. O método de longo prazo e o desenvolvimento da teoria no Departamento de Química da Universidade de Jyväskylä (Finlândia) forneceram uma nova compreensão sobre a química das interfaces eletroquímicas, em particular sobre os efeitos dos íons eletrolíticos.
“Nossos dois artigos de pesquisa recentes se concentraram nos efeitos dos íons eletrolíticos nas reações de redução de oxigênio e dióxido de carbono, que determinam a eficiência das células de combustível, a síntese de peróxido de hidrogênio e a conversão de dióxido de carbono em produtos químicos e combustíveis neutros em carbono”, diz o Pesquisador da Academia da Finlândia, Marko Melander, do Departamento de Química da Universidade de Jyväskylä.
Combinando Resultados Experimentais e Computacionais
Pesquisadores da Universidade de Jyväskylä têm colaborado com grupos experimentais e computacionais para compreender os efeitos dos eletrólitos. O trabalho foi publicado recentemente em revistas renomadas, Comunicações da Natureza e Edição Internacional de Química Aplicada.

Figura 2. Uma molécula de oxigênio (rosa) se liga a um íon potássio (verde) na interface platina-água. Crédito: Marko Melander
“Em ambos os estudos nos concentramos nas propriedades fundamentais e na pesquisa, o que exigiu o uso de experimentos altamente precisos e exigentes, e sua combinação com os mais recentes métodos de simulação. Por exemplo, fomos capazes, pela primeira vez, de combinar experimentos e simulações dos efeitos isotópicos cinéticos da mecânica quântica do hidrogênio para compreender a reação de redução do oxigênio. Também desenvolvemos e aplicamos métodos computacionais avançados para simular a reorganização das soluções eletrolíticas aquosas para obter informações detalhadas sobre seu efeito conjunto no mecanismo de reação”, elucida Melander.
Avanço do conhecimento em ciência eletroquímica
Esta pesquisa fornece uma imagem atomística de como os eletrólitos impactam as reações eletroquímicas. Um dos mecanismos identificados é a formação de ligação entre um íon e a molécula reagente, conforme mostrado na Figura 2.
“Conseguimos mostrar que ambos os íons controlam a estrutura e a dinâmica da superfície do eletrodo e da água interfacial por meio de interações não covalentes. Essas interações bastante fracas determinam o caminho da reação, a taxa e a seletividade e, portanto, controlam a atividade e o resultado das reações eletroquímicas”, explica Melander.
Implicações para o desenvolvimento de energias renováveis
Embora esta pesquisa tenha se concentrado nos aspectos fundamentais dos sistemas eletroquímicos, ela pode aprimorar o desenvolvimento de tecnologias eletroquímicas aprimoradas.
“A utilização de efeitos de íons e solventes pode fornecer uma maneira de personalizar a reatividade e a seletividade das reações eletroquímicas. Por exemplo, o eletrólito pode ser usado para direcionar a reação de redução de oxigênio para aplicações em células de combustível ou de síntese de peróxido de hidrogênio. A química do eletrólito também é uma forma eficaz de direcionar a redução do dióxido de carbono para os produtos desejados e valiosos”, diz Melander.
Referências:
“Mudanças induzidas por cátions nos mecanismos das esferas interna e externa de redução eletrocatalítica de CO2” por Xueping Qin, Heine A. Hansen, Karoliina Honkala e Marko M. Melander, 22 de novembro de 2023, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-023-43300-4
“Os cátions determinam o mecanismo e a seletividade da reação de redução do oxigênio alcalino em Pt (111) ** ” por Tomoaki Kumeda, Laura Laverdure, Karoliina Honkala, Marko M. Melander e Ken Sakaushi, 20 de novembro de 2023, Edição Internacional de Química Aplicada.
DOI: 10.1002/anie.202312841