Jay Winkler e sua equipe estão zapping metais para criar novos catalisadores de combustível solar. Crédito:Instituto de Tecnologia da Califórnia
Na busca por alternativas aos combustíveis derivados do petróleo, um dos mais promissores, e desafiador, estratégias envolvem dividir a água. Os pesquisadores, por décadas, fizeram avanços no uso da luz solar para dividir as moléculas de água em oxigênio e hidrogênio, em que o gás hidrogênio resultante pode ser usado como combustível armazenado. Mas o método ainda é muito caro. Materiais chamados catalisadores são necessários para executar a reação, e o catalisador que funciona melhor, platina, é raro e caro. A caça aos bons catalisadores feitos de abundante na Terra, materiais baratos.
"As pessoas falavam sobre dividir a água quando eu era um estudante de graduação, durante a crise energética do final dos anos 1970. Na verdade, você pode encontrar artigos na literatura onde as pessoas falam sobre isso desde o início do século 20, "diz Jay Winkler (Ph.D. '84), um membro do corpo docente e professor de química na Caltech e um membro do Instituto Beckman. "A platina funciona muito bem como catalisador, mas não é um material prático para geração de energia em grande escala porque simplesmente não há o suficiente. Alguns outros materiais funcionam bem com a reação, mas também são muito raros. "
Winkler e seus colegas, liderado por Harry Gray, o professor de química Arnold O. Beckman e ex-conselheiro de pós-graduação de Winkler, têm se ocupado no desenvolvimento de novos tipos de catalisadores com base em materiais ecológicos, como ferro e níquel. Seu objetivo não é apenas encontrar novos catalisadores feitos de materiais abundantes na Terra, mas também para encontrar maneiras de fazer com que esses catalisadores conduzam a reação de divisão da água da forma mais eficiente possível. Isso reduziria o custo geral da reação o suficiente para competir com recursos naturais como o petróleo. Esta pesquisa está associada ao Centro de Inovação Química em Combustíveis Solares (CCI Solar), um centro da National Science Foundation com sede em Caltech.
O foco de Winkler está em destruir metais com lasers. Cerca de cinco anos atrás, ele e Astrid Müller, em seguida, um cientista da equipe Caltech e agora um professor da Universidade de Rochester, aperfeiçoou uma técnica em que um laser pulsado de alta energia é focado em um metal em um líquido (como o ferro na água), gerando uma temperatura e pressão muito altas. O processo cria uma bolha que se fecha e se expande novamente algumas vezes em milissegundos, liberando nanopartículas à base de ferro, quais são os candidatos para catalisar a reação de divisão da água.
"As reações do laser criam um flash de luz brilhante e um grande estrondo, "diz Winkler." Tivemos que instalar uma caixa à prova de som ao redor porque você podia ouvir no corredor. "
Um método baseado em laser para gerar novos catalisadores de combustível solar é mostrado neste vídeo de radiografia de raios-X, que foi desacelerado. As imagens são gravadas usando um feixe de raio-X de banda larga orientado paralelamente ao alvo e detectado usando uma câmera de raio-X de alta velocidade. Depois que um pulso de laser de 10 nanossegundos atinge um alvo de metal prateado, uma bolha é vista se expandindo, contraindo e expandindo novamente. Nanopartículas sólidas que compõem os catalisadores de combustível solar candidatos gotejam no final. Crédito:Karlsruhe Institute of Technology, Anton Plech (fonte:Ibrahimkutty et al. Sci. Rep. 2015)
Dividir a água é, em geral, uma reação um tanto simples. A ideia é usar a energia da luz solar para dividir duas moléculas de água (2H 2 O) em oxigênio (O 2 ) e hidrogênio (2H 2 ) moléculas. O oxigênio pode ser liberado na atmosfera e o hidrogênio armazenado como combustível. Executando a reação para trás, com a ajuda de uma célula de combustível, gera eletricidade.
"Executar esta reação requer energia, e então armazenamos essa energia. Queremos encontrar catalisadores que tornem o oxigênio mais rápido e com o mínimo de energia extra possível. "
Winker e sua equipe estão se concentrando na primeira metade da reação de divisão da água; criando o oxigênio. Em seus experimentos, como um substituto para a luz do sol, eles usam um eletrodo alimentado por eletricidade. Depois de fazerem seus catalisadores potenciais usando a técnica de laser, eles revestem o eletrodo com os catalisadores e executam a reação, para ver a rapidez com que o oxigênio é gerado.
Até aqui, os pesquisadores têm alguns bons candidatos, tal como um tipo de material de nanopartícula à base de ferro conhecido como nanofolha de hidróxido duplo com camada de ferro de níquel. A equipe está tentando descobrir exatamente por que esse catalisador funciona bem. Em um conjunto de experimentos, eles desenvolveram um método eletroquímico para capturar e caracterizar os estados moleculares gerados durante a reação, a fim de descobrir quais são a chave para sua eficiência. Eles descobriram que um local de ferro altamente oxidado na borda de uma nanofolha era um elemento essencial na catálise. Este trabalho, que foi liderado por Bryan Hunter da Universidade de Harvard enquanto ele era um estudante de graduação na Caltech no Gray Lab (Ph.D. '17), ajudará outros pesquisadores a ajustar o catalisador e torná-lo ainda melhor.
No futuro, a equipe continuará a explorar novos catalisadores para a fabricação de combustível de hidrogênio. Por exemplo, eles estão experimentando outros líquidos além da água para usar em seus testes de zapping a laser.
"Combustíveis de hidrogênio não são amplamente usados agora, "diz Winkler." Mas acho que chegaremos a um ponto em que podemos fazer esses combustíveis com mais eficiência - e então eles se tornarão mais competitivos economicamente. "
