A "economia de energia limpa" sempre parece estar a alguns passos de distância, mas nunca completamente aqui. Maior energia para transporte, aquecimento, resfriamento e fabricação ainda são fornecidos com o uso de combustíveis fósseis. Mas com alguns avanços científicos, hidrogênio, o elemento mais abundante do universo, poderia ser o portador de energia de uma futura sociedade de energia limpa. Dando um passo mais perto em direção ao objetivo indescritível, uma equipe de cientistas da Penn State e da Florida State University desenvolveu um catalisador de baixo custo e escalonável industrialmente para produzir hidrogênio puro por meio de um processo de separação de água de baixa energia.

“Energia é a questão mais importante do nosso tempo, e para energia, as células de combustível são de importância crucial. E então, para células de combustível, hidrogênio é o mais importante, "diz Yu Lei, candidato a doutorado na Penn State e primeiro autor de um novo artigo em ACS Nano descrevendo o catalisador de divisão da água que ela e seus colegas teoricamente previram e sintetizaram no laboratório. "As pessoas têm procurado um bom catalisador que possa dividir a água com eficiência em hidrogênio e oxigênio. Durante esse processo, não haverá produtos colaterais que não sejam ecologicamente corretos. "

O método industrial atual de produção de hidrogênio - reforma a vapor do metano - resulta na liberação de CO2 na atmosfera. Outros métodos utilizam calor residual, como de usinas nucleares avançadas, ou energia solar concentrada, ambos enfrentam desafios técnicos para se tornarem comercialmente viáveis. Outro processo industrial usa platina como catalisador para conduzir o processo de divisão da água. Embora a platina seja um catalisador quase perfeito, também é caro. Um catalisador mais barato poderia tornar o hidrogênio uma alternativa razoável aos combustíveis fósseis no transporte, e células de combustível de energia para aplicações de armazenamento de energia.

"Dissulfeto de molibdênio (MoS2) foi previsto como um possível substituto para a platina, porque a energia livre de Gibbs para absorção de hidrogênio é próxima de zero, "diz Mauricio Terrones, professor de física, ciência e engenharia de materiais e química na Penn State. Quanto menor a energia livre de Gibbs, menos energia externa deve ser aplicada para produzir uma reação química.

Contudo, experimentalmente, existem desvantagens em usar o MoS2 como catalisador. Em sua fase estável, MoS2 é um semicondutor, o que limita sua capacidade de conduzir elétrons. Para contornar esse problema, a equipe adicionou óxido de grafeno reduzido, uma forma de carbono altamente condutora. Então, para diminuir ainda mais a energia livre, eles ligaram o MoS2 com tungstênio para criar um filme fino com camadas alternadas de grafeno e dissulfeto de tungstênio-molibdênio. A adição de tungstênio reduz a voltagem elétrica necessária para dividir a água pela metade, de 200 milivolts com MoS2 puro, a 96 milivolts com a liga de tungstênio-molibdênio.

O processo de divisão da água usa uma quantidade muito pequena de energia elétrica aplicada a um eletrodo imerso em água. Usando este pequeno potencial, os prótons na solução podem ser absorvidos pela superfície do catalisador. Então, dois prótons irão migrar juntos para formar uma bolha de hidrogênio que sobe à superfície e libera o hidrogênio.

Do ponto de vista teórico, os orbitais de elétrons desempenham um papel crucial. No caso de MoS2 puro, os orbitais do metal não se sobrepõem bem ao orbital do hidrogênio na etapa principal da reação; Contudo, quando a liga está presente, esses orbitais interagem bem e tornam a reação mais eficiente. Isso é semelhante ao que a platina faz, e a razão pela qual a platina é tão eficiente em termos de energia nessa reação química. Contudo, nesse trabalho, pesquisadores mostraram que elementos mais baratos e abundantes podem ser usados ​​e alcançam uma eficiência que supera todos os melhores catalisadores.

“O que acontece nessas ligas é uma sobreposição requintada de orbitais que torna a reação mais eficiente. Isso não é observado nos componentes puros. É um exemplo em que o híbrido é melhor do que os componentes puros, "diz Jose L. Mendoza-Cortes, professor de engenharia química, ciência e engenharia de materiais e computação científica no estado da Flórida.

As células a combustível de hidrogênio podem impulsionar uma economia de energia limpa não apenas no setor de transporte, onde o abastecimento rápido e o alcance do veículo ultrapassam os veículos movidos a bateria, mas também para armazenar energia elétrica produzida por energia solar e eólica. Este trabalho é mais um passo em frente para alcançar esse objetivo.