Os cientistas há muito se perguntam por que é mais fácil produzir hidrogênio a partir da água em um ambiente ácido do que em um ambiente alcalino. Marc Koper vem com uma explicação:o motivo é o campo elétrico na superfície do catalisador, que é maior em um ambiente alcalino, como ele escreve em uma publicação em Nature Energy em 20 de março.

Produzindo hidrogênio com mais eficiência

Marc Koper é professor de Catálise e Química de Superfície e pesquisa sobre energia sustentável, como o uso de hidrogênio como combustível. “O hidrogênio é uma fonte de energia limpa, que ainda não podemos fazer de forma limpa em grande escala. Porque sabemos agora que o campo elétrico desempenha um papel importante, somos mais capazes de ajustar os sistemas atuais para torná-los mais eficientes, "diz Koper.

Para converter água eletroquimicamente em hidrogênio e oxigênio, eletrodos são necessários:um cátodo negativo e um ânodo positivo. “O cátodo é onde o hidrogênio é produzido. Para isso, a platina é o melhor catalisador, pelo menos em um ambiente ácido. Para o ânodo, onde o oxigênio é formado, irídio é o melhor catalisador. E esse é o metal mais raro da terra. "

Níquel barato

"Em um ambiente alcalino, você pode usar níquel em vez de irídio, o que é muito mais barato. Contudo, a produção de hidrogênio é muito mais difícil em um ambiente alcalino do que em um ambiente ácido. O cátodo requer uma voltagem mais alta para produzir hidrogênio, o que torna todo o processo menos eficiente. "

Nadando em um campo elétrico

Marc Koper e seu grupo suspeitaram que a intensidade do campo elétrico desempenha um papel na taxa de reação. "Em um ambiente ácido, existe um campo elétrico mais fraco no eletrodo de platina em uma dada voltagem do que em um ambiente alcalino. Um forte campo elétrico torna as moléculas de água quase "congeladas". Partículas carregadas, como prótons e íons hidróxido, têm poucos problemas para se mover quando as moléculas de água se movem facilmente. Mas em um ambiente alcalino, o campo elétrico é forte, resultando em moléculas de água que não podem se mover quando uma partícula carregada precisa passar. Para essas partículas, é mais difícil alcançar o eletrodo de platina. Essa é a razão pela qual a reação é mais lenta do que em um ambiente ácido, "Koper ilustra sua teoria.

Nós nos questionamos:como você mede um campo elétrico próximo à superfície do eletrodo? ", Diz Koper." Colegas da Universidade de Alicante, na Espanha, desenvolveram um método especial para medir este campo, então nossa PhD Isis Ledezma-Yanez os visitou. As medidas estão de acordo com nosso modelo. Próximo, vamos testar se o modelo também está correto com outros catalisadores além da platina. "

Além disso, esta pesquisa oferece a Koper uma nova maneira de melhorar os sistemas que produzem hidrogênio a partir da água. "Antes desta pesquisa, nós apenas nos concentramos na energia de ligação do catalisador com o hidrogênio. Isso não deve ser muito forte, mas também não deve ser muito fraco. Agora sabemos que a intensidade do campo elétrico também desempenha um papel importante. Faremos mais experimentos para testar isso, por exemplo, variando a composição da solução.

A forma como o hidrogênio se forma é diferente em um ambiente ácido e em um ambiente alcalino.

Ambiente ácido

Um próton (uma partícula com carga positiva) se move através da solução aquosa em direção à superfície da platina e se liga à platina como um átomo de hidrogênio.

Dois átomos de hidrogênio que estão ligados à superfície, ligam-se e formam hidrogênio.

Ambiente alcalino

A água reage na superfície da platina, resultando em um átomo de hidrogênio ligado à platina e um íon hidróxido carregado negativamente (OH ^- )

O íon hidróxido se move em direção à solução de água longe da superfície da platina. Devido ao forte campo elétrico e à água "congelada" correspondente, esta etapa é lenta.