Melhores soluções para produzir hidrogênio podem estar apenas na superfície

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As interações únicas entre o óxido de perovskita, sua camada superficial em mudança e as espécies de ferro que são ativas em relação aos REA abrem um novo caminho para o projeto de materiais ativos e estáveis, aproximando-nos um passo da produção eficiente e acessível de hidrogênio verde. CRÉDITO Laboratório Nacional de Argonne

Abstrato:
Um futuro de energia limpa impulsionado pelo combustível de hidrogênio depende de descobrir como dividir a água de maneira confiável e eficiente. Isto porque, embora o hidrogénio seja abundante, deve ser derivado de outra substância que o contenha — e hoje, essa substância é muitas vezes o gás metano. Os cientistas estão procurando maneiras de isolar esse elemento transportador de energia sem usar combustíveis fósseis. Isso abriria caminho para carros movidos a hidrogênio, por exemplo, que emitem apenas água e ar quente pelo escapamento.

Melhores soluções para fazer hidrogênio podem estar apenas na superfície

Argonne, Illinois | Postado em 9 de abril de 2021

Água, ou H2O, une hidrogênio e oxigênio. Os átomos de hidrogênio na forma de hidrogênio molecular devem ser separados deste composto. Esse processo depende de uma etapa fundamental – mas muitas vezes lenta: a reação de evolução do oxigênio (REA). O REA é o que libera o oxigênio molecular da água, e o controle dessa reação é importante não apenas para a produção de hidrogênio, mas também para uma variedade de processos químicos, incluindo aqueles encontrados em baterias.

“A reação de evolução do oxigênio faz parte de muitos processos, então a aplicabilidade aqui é bastante ampla.” — Pietro Papa Lopes, cientista assistente de Argonne

Um estudo liderado por cientistas do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) ilumina uma qualidade de mudança de forma nos óxidos de perovskita, um tipo promissor de material para acelerar o REA. Os óxidos de perovskita abrangem uma gama de compostos que possuem uma estrutura cristalina semelhante. Eles normalmente contêm um metal alcalino-terroso ou lantanídeos, como La e Sr, no sítio A, e um metal de transição, como Co, no sítio B, combinado com oxigênio na fórmula ABO3. A pesquisa fornece informações que poderiam ser usadas para projetar novos materiais, não apenas para produzir combustíveis renováveis, mas também para armazenar energia.

Os óxidos de perovskita podem provocar os REA e são mais baratos que os metais preciosos, como o irídio ou o rutênio, que também fazem o trabalho. Mas os óxidos de perovskita não são tão ativos (em outras palavras, eficientes na aceleração do REA) como esses metais e tendem a degradar-se lentamente.

“Compreender como estes materiais podem ser activos e estáveis foi uma grande força motriz para nós”, disse Pietro Papa Lopes, cientista assistente na divisão de Ciência de Materiais da Argonne que liderou o estudo. “Queríamos explorar a relação entre essas duas propriedades e como isso se conecta às propriedades da própria perovskita.”

Pesquisas anteriores concentraram-se nas propriedades a granel dos materiais de perovskita e como elas se relacionam com a atividade REA. Os pesquisadores se perguntaram, no entanto, se havia mais nessa história. Afinal, a superfície de um material, onde ele reage com o entorno, pode ser completamente diferente das demais. Exemplos como este estão por toda parte na natureza: pense em um abacate cortado ao meio que escurece rapidamente onde encontra o ar, mas permanece verde por dentro. Para materiais de perovskita, uma superfície que se torna diferente da massa pode ter implicações importantes na forma como entendemos suas propriedades.

Em sistemas eletrolisadores de água, que dividem a água em hidrogênio e oxigênio, os óxidos de perovskita interagem com um eletrólito feito de água e espécies especiais de sal, criando uma interface que permite o funcionamento do dispositivo. À medida que a corrente elétrica é aplicada, essa interface é crítica para iniciar o processo de divisão da água. “A superfície do material é o aspecto mais importante de como ocorrerá a reação de evolução do oxigênio: quanta voltagem você precisa e quanto oxigênio e hidrogênio você vai produzir”, disse Lopes.

A superfície do óxido de perovskita não é apenas diferente do resto do material, mas também muda com o tempo. “Uma vez inserida em um sistema eletroquímico, a superfície da perovskita evolui e se transforma em um filme fino e amorfo”, disse Lopes. “Nunca é realmente igual ao material com o qual você começa.”

Os pesquisadores combinaram cálculos teóricos e experimentos para determinar como a superfície de um material perovskita evolui durante o REA. Para fazer isso com precisão, eles estudaram a perovskita de óxido de cobalto e lantânio e a ajustaram “dopando” o lantânio com estrôncio, um metal mais reativo. Quanto mais estrôncio foi adicionado ao material inicial, mais rapidamente a sua superfície evoluiu e se tornou ativa para o REA – um processo que os investigadores conseguiram observar em resolução atómica com microscopia eletrónica de transmissão. Os pesquisadores descobriram que a dissolução do estrôncio e a perda de oxigênio da perovskita estavam impulsionando a formação dessa camada superficial amorfa, o que foi explicado posteriormente pela modelagem computacional realizada usando o Center for Nanoscale Materials, um DOE Office of Science User Facility.

“A última peça que faltava para entender por que as perovskitas eram ativas em relação aos REA era explorar o papel de pequenas quantidades de ferro presentes no eletrólito”, disse Lopes. O mesmo grupo de pesquisadores descobriu recentemente que vestígios de ferro podem melhorar o REA em outras superfícies de óxido amorfo. Depois que determinaram que uma superfície de perovskita evolui para um óxido amorfo, ficou claro por que o ferro era tão importante.

“Os estudos computacionais ajudam os cientistas a compreender os mecanismos de reação que envolvem tanto a superfície da perovskita quanto o eletrólito”, disse Peter Zapol, físico de Argonne e coautor do estudo. “Nós nos concentramos nos mecanismos de reação que impulsionam as tendências de atividade e estabilidade em materiais de perovskita. Isso normalmente não é feito em estudos computacionais, que tendem a focar apenas nos mecanismos de reação responsáveis pela atividade.”

O estudo descobriu que a superfície do óxido de perovskita evoluiu para um filme amorfo rico em cobalto com apenas alguns nanômetros de espessura. Quando o ferro estava presente no eletrólito, o ferro ajudou a acelerar o REA, enquanto o filme rico em cobalto teve um efeito estabilizador no ferro, mantendo-o ativo na superfície.

Os resultados sugerem novas estratégias potenciais para projetar materiais de perovskita – pode-se imaginar a criação de um sistema de duas camadas, disse Lopes, que seja ainda mais estável e capaz de promover os REA.

“O REA faz parte de tantos processos, então a aplicabilidade aqui é bastante ampla”, disse Lopes. “Compreender a dinâmica dos materiais e seus efeitos nos processos de superfície é como podemos tornar os sistemas de conversão e armazenamento de energia melhores, mais eficientes e acessíveis.”

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O estudo é descrito em um artigo publicado e destacado na capa de 24 de fevereiro do Journal of the American Chemical Society, “Sítios ativos dinamicamente estáveis da evolução da superfície de materiais de perovskita durante a evolução do oxigênio”. Além de Lopes e Zapol, os co-autores incluem Dong Young Chung, Hong Zheng, Pedro Farinazzo Bergamo Dias Martins, Dusan Strmcnik, Vojislav Stamenkovic, Nenad Markovic e John Mitchell at Argonne; Xue Rui e Robert Klie, da Universidade de Illinois em Chicago; e Haiying He, da Universidade de Valparaíso. Esta pesquisa foi financiada pelo Escritório de Ciências Básicas de Energia do DOE.

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Sobre o Argonne National Laboratory
O Laboratório Nacional Argonne busca soluções para os problemas nacionais urgentes em ciência e tecnologia. O primeiro laboratório nacional do país, Argonne conduz pesquisa científica básica e aplicada de ponta em praticamente todas as disciplinas científicas. Os pesquisadores da Argonne trabalham em estreita colaboração com pesquisadores de centenas de empresas, universidades e agências federais, estaduais e municipais para ajudá-los a resolver seus problemas específicos, promover a liderança científica da América e preparar a nação para um futuro melhor. Com funcionários de mais de 60 países, a Argonne é administrada pela UChicago Argonne, LLC para o Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos Estados Unidos.

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