Tecnologias de armazenamento eficientes são necessárias se a energia solar e eólica ajudar a satisfazer as demandas crescentes de energia. Uma abordagem importante é o armazenamento na forma de hidrogênio extraído da água usando energia solar ou eólica. Este processo ocorre em um chamado eletrolisador. Graças a um novo material desenvolvido por pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI e Empa, esses dispositivos provavelmente se tornarão mais baratos e mais eficientes no futuro. O material em questão funciona como um catalisador, acelerando a divisão das moléculas de água:a primeira etapa da produção do hidrogênio. Os pesquisadores também mostraram que esse novo material pode ser produzido de forma confiável em grandes quantidades e demonstraram sua capacidade de desempenho em uma célula de eletrólise técnica - o principal componente de um eletrolisador. Os resultados de suas pesquisas foram publicados na edição atual da revista científica. Materiais da Natureza .

Como a energia solar e eólica nem sempre está disponível, só contribuirá significativamente para atender às demandas de energia, uma vez que um método de armazenamento confiável tenha sido desenvolvido. Uma abordagem promissora para esse problema é o armazenamento na forma de hidrogênio. Este processo requer um eletrolisador, que usa eletricidade gerada por energia solar ou eólica para dividir a água em hidrogênio e oxigênio. O hidrogênio atua como um transportador de energia. Pode ser armazenado em tanques e posteriormente transformado em energia elétrica com o auxílio de células a combustível. Este processo pode ser realizado localmente, em lugares onde a energia é necessária, como residências domésticas ou veículos com células de combustível, possibilitando a mobilidade sem a emissão de CO2.

Barato e eficiente

Pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI desenvolveram agora um novo material que funciona como um catalisador dentro de um eletrolisador e, portanto, acelera a divisão das moléculas de água:a primeira etapa na produção de hidrogênio. “Existem atualmente dois tipos de eletrolisadores no mercado:um é eficiente, mas caro porque seus catalisadores contêm metais nobres como o irídio. Os outros são mais baratos, mas menos eficientes”, afirmou. explica Emiliana Fabbri, pesquisador do Instituto Paul Scherrer. "Queríamos desenvolver um catalisador eficiente, mas menos caro, que funcionasse sem o uso de metais nobres."

Explorando este procedimento, os pesquisadores puderam usar um material já desenvolvido:um complexo composto de bário, estrôncio, cobalto, ferro e oxigênio - uma chamada perovskita. Mas eles foram os primeiros a desenvolver uma técnica que permitisse sua produção na forma de minúsculas nanopartículas. Esta é a forma necessária para que funcione de forma eficiente, uma vez que um catalisador requer uma grande área de superfície na qual muitos centros reativos são capazes de acelerar a reação eletroquímica. Uma vez que as partículas individuais de catalisador foram feitas tão pequenas quanto possível, suas respectivas superfícies se combinam para criar uma área de superfície geral muito maior.

Os pesquisadores usaram um dispositivo chamado spray de chama para produzir esse nanopó:um dispositivo operado pela Empa que envia as partes constituintes do material através de uma chama, onde elas se fundem e se solidificam rapidamente em pequenas partículas assim que saem da chama. “Tínhamos que encontrar uma maneira de operar o dispositivo que garantisse de forma confiável a solidificação dos átomos dos vários elementos na estrutura certa, "enfatiza Fabbri." Também pudemos variar o teor de oxigênio quando necessário, possibilitando a produção de diferentes variantes de materiais. "

Testes de campo bem-sucedidos

Os pesquisadores conseguiram mostrar que esses procedimentos funcionam não apenas no laboratório, mas também na prática. O método de produção fornece grandes quantidades do pó de catalisador e pode ser disponibilizado para uso industrial. “Estávamos ansiosos para testar o catalisador em condições de campo. temos instalações de teste no PSI capazes de examinar o material, mas seu valor depende, em última análise, de sua adequação para células de eletrólise industriais que são usadas em eletrolisadores comerciais, "diz Fabbri. Os pesquisadores testaram o catalisador em cooperação com um fabricante de eletrolisador nos Estados Unidos e puderam mostrar que o dispositivo funcionava de forma mais confiável com a nova perovskita produzida por PSI do que com um catalisador de óxido de irídio convencional.

Examinando em milissegundos

Os pesquisadores também puderam realizar experimentos precisos que forneceram informações precisas sobre o que acontece no novo material quando ele está ativo. Isso envolveu o estudo do material com raios-X no Swiss Light Source SLS da PSI. Esta instalação fornece aos pesquisadores uma estação de medição exclusiva, capaz de analisar a condição de um material em intervalos de tempo sucessivos de apenas 200 milissegundos. "Isso nos permite monitorar mudanças no catalisador durante a reação catalítica:podemos observar mudanças nas propriedades eletrônicas ou no arranjo dos átomos, "diz Fabbri. Em outras instalações, cada medição individual leva cerca de 15 minutos, fornecendo apenas uma imagem média, na melhor das hipóteses. "Essas medições também mostraram como as estruturas das superfícies das partículas mudam quando ativas - partes do material se tornam amorfas, o que significa que os átomos em áreas individuais não estão mais uniformemente organizados. Inesperadamente, isso torna o material um melhor catalisador.