Os pesquisadores alcançaram um avanço na tecnologia de células de combustível de hidrogênio ao desenvolver materiais eletrolíticos sólidos usando estruturas metal-orgânicas (MOFs). Esta abordagem melhora significativamente a condutividade do íon hidrogênio. O uso inovador pela equipe de moléculas hóspedes de baixa acidez dentro dos MOFs resultou em materiais com alta condutividade e durabilidade. Este avanço promete aumentar a eficiência das células a combustível de hidrogênio, contribuindo para soluções energéticas sustentáveis.
Um grupo de cientistas associados à UNIST conseguiu um avanço significativo no aumento da eficiência das células de combustível de hidrogénio, que estão a ganhar uma atenção significativa como fontes de energia de próxima geração amigas do ambiente.
Liderada pelo professor Myoung Soo Lah do Departamento de Química da UNIST, a equipe desenvolveu com sucesso materiais eletrolíticos sólidos utilizando estruturas metal-orgânicas (MOFs). Esta abordagem inovadora aumenta significativamente a condutividade dos íons de hidrogênio no eletrólito sólido empregado nas células a combustível de hidrogênio. Além disso, a equipe de pesquisa introduziu moléculas hóspedes com baixa acidez – marcando uma conquista pioneira entre os intermediários utilizados para esse fim. Ao implementar uma nova metodologia que aumenta o número de moléculas hóspedes dentro dos poros do MOF, eles alcançaram melhor condutividade de íons de hidrogênio.
Células de Combustível de Hidrogênio e Limitações de Corrente
As células a combustível de hidrogênio são dispositivos de geração de energia altamente eficientes e ecologicamente corretos que convertem diretamente a energia química derivada das reações entre o hidrogênio e o oxigênio em energia elétrica. Atualmente, as células de combustível de membrana de troca de prótons empregam predominantemente Nafion como material eletrolítico devido à sua estabilidade térmica, mecânica e química, juntamente com alta condutividade de íons de hidrogênio. No entanto, estes sistemas enfrentam limitações relativamente à sua gama de temperaturas de funcionamento e carecem de clareza sobre os seus mecanismos para melhoria de desempenho.
A equipe de pesquisa voltou sua atenção para os MOFs como alternativas potenciais. MOFs são materiais compostos por aglomerados metálicos interligados por ligantes orgânicos para formar uma estrutura porosa. Com excelentes propriedades de estabilidade química e térmica, os MOFs despertaram recentemente um interesse considerável para uso em aplicações de células de combustível. Além disso, quando gerados, os MOFs possuem poros de tamanhos variados que podem ser utilizados para desenvolver materiais com alta condutividade de íons hidrogênio, introduzindo moléculas hóspedes através desses canais.
Metodologia e resultados inovadores
Neste estudo conduzido pela equipe de pesquisa da UNIST liderada pelos membros do grupo do professor Myoung Soo Lah, sulfâmico zwitteriônico ácido—uma substância iônica anfotérica de baixa acidez que possui cargas positivas e negativas — foi introduzida como moléculas hóspedes em dois tipos de MOFs, nomeadamente MOF-808 e MIL-101. O ácido sulfâmico, uma molécula convidada com capacidades excepcionais de ligação de hidrogênio em várias formas, opera efetivamente como um meio para a transferência de íons de hidrogênio. Ao aumentar a quantidade de ácido sulfâmico nos poros dos MOFs, a equipe desenvolveu com sucesso materiais que demonstram alta condutividade de íons de hidrogênio (alcançando níveis de 10-1 Scm-1 ou superiores). Além disso, estes materiais exibiram uma durabilidade notável, uma vez que mantiveram a condutividade do ião hidrogénio durante um período prolongado.
Os resultados da pesquisa são imensamente promissores para o avanço da eficiência e do desempenho das células a combustível de hidrogênio por meio da utilização de estruturas metal-orgânicas. Este avanço contribui para acelerar o progresso em direção a soluções energéticas sustentáveis, em linha com os esforços globais para a descarbonização.
Referência: “Superprotonic Conductivity of MOFs Confining Zwitterionic Sulfamic Acid as Proton Source and Conducting Medium” por Amitosh Sharma, Jaewoong Lim, Seonghwan Lee, Seungwan Han, Junmo Seong, Seung Bin Baek e Myoung Soo Lah, 9 de maio de 2023, Edição Internacional de Química Aplicada.
DOI: 10.1002/anie.202302376
