Enquanto os carros movidos a células de combustível de hidrogênio oferecem vantagens claras sobre os veículos elétricos que estão crescendo em popularidade (incluindo seu maior alcance, seu menor impacto ambiental geral, e o fato de que eles podem ser reabastecidos em minutos, versus horas de carregamento), eles ainda precisam decolar com os consumidores. Um dos motivos é o alto custo e complexidade de produção, distribuindo, e armazenar o hidrogênio puro necessário para alimentá-los, o que tem dificultado a implantação de estações de reabastecimento de hidrogênio.

Os engenheiros há muito reconheceram o poder - e a disponibilidade ilimitada - do hidrogênio, o elemento mais abundante do universo. O hidrogênio ocorre naturalmente no meio ambiente, mas quase sempre está quimicamente ligado a outros elementos - ao oxigênio na água (H2O), por exemplo, ou carbono em metano (CH4). Para obter hidrogênio puro, deve ser separado de uma dessas moléculas. Praticamente todo o hidrogênio produzido nos Estados Unidos é obtido a partir de combustíveis de hidrocarbonetos, principalmente gás natural, por meio da reforma a vapor, um processo de várias etapas em que os hidrocarbonetos reagem com vapor de alta temperatura na presença de um catalisador para produzir monóxido de carbono, dióxido de carbono, e hidrogênio molecular (H2).

O hidrogênio pode então ser separado dos outros gases por meio de um processo químico de várias etapas, mas o custo e a complexidade da produção de hidrogênio podem ser reduzidos usando uma membrana para fazer a separação. A maioria das membranas de separação de hidrogênio atualmente em desenvolvimento usa o metal precioso paládio, que tem solubilidade e permeabilidade excepcionalmente altas de hidrogênio (o que significa que o hidrogênio se dissolve facilmente e viaja através do metal, enquanto outros gases são excluídos). Mas o paládio é caro (atualmente custa cerca de US $ 900 a onça) e frágil.

Por estas razões, engenheiros químicos há muito procuram alternativas ao paládio para uso em membranas de separação de hidrogênio, Mas por enquanto, nenhum candidato adequado surgiu. Um estudo pioneiro liderado por Ravindra Datta, professor de engenharia química no Worcester Polytechnic Institute (WPI), pode ter identificado a alternativa do paládio há muito tempo indescritível:metais líquidos.

Uma série de metais e ligas são líquidos nas temperaturas operacionais padrão encontradas em sistemas de reforma a vapor (cerca de 500 graus C), e a maioria deles é muito mais barata do que o paládio. Além disso, uma membrana feita com uma película de metal líquido não deve ser propensa a defeitos e rachaduras que podem tornar a membrana de paládio inutilizável.

O estudo WPI, publicado no Jornal do Instituto Americano de Engenheiros Químicos , é o primeiro a demonstrar que, além dessas vantagens, membranas de metal líquido também parecem ser significativamente mais eficazes do que o paládio na separação de hidrogênio puro de outros gases, sugerindo que eles podem fornecer uma solução prática e eficaz para o desafio de fornecer hidrogênio acessível para veículos com células de combustível. "A recente mudança para carros elétricos é irreversível, "disse Datta. O próximo passo depois dos veículos elétricos, ele e outros acreditam, são veículos movidos a hidrogênio - se o quebra-cabeça do suprimento de hidrogênio for resolvido.

Como carros elétricos movidos a bateria, os veículos com célula de combustível têm motores elétricos. Os motores são alimentados por eletricidade gerada dentro da célula de combustível quando o hidrogênio e o oxigênio se combinam na presença de um catalisador (o único "resíduo" é a água). Embora possam puxar oxigênio do ar, os carros devem carregar um suprimento de hidrogênio puro.

Muitos pesquisadores se concentraram em reduzir o custo desse hidrogênio, tornando as membranas de paládio melhores e mais finas. Algumas das membranas mais avançadas foram produzidas pelo professor aposentado de engenharia química da WPI Yi Hua "Ed" Ma, quem, com financiamento considerável da indústria e do Departamento de Energia dos EUA, foi pioneira em um processo de ligação de paládio a um tubo de aço poroso, resultando em camadas de paládio tão finas quanto 5 a 10 mícrons.

Tornar a camada de paládio fina aumenta o fluxo da membrana, ou a taxa na qual o hidrogênio puro se move através dele. "Mas se uma membrana for muito fina, "Datta disse, "torna-se frágil ou desenvolve defeitos. E as membranas precisam estar livres de defeitos. Se elas desenvolverem até mesmo uma rachadura ou um microporo, você tem que começar de novo. "

Seis anos atrás, Datta e seus alunos começaram a se perguntar se os metais líquidos poderiam superar algumas das limitações do paládio - particularmente seu custo e fragilidade - ao mesmo tempo, potencialmente, oferecendo solubilidade e permeabilidade de hidrogênio superior. "Além da afinidade química, permeance depende de quão aberta uma estrutura de cristal metálico é, "disse ele." Os metais líquidos têm mais espaço entre os átomos do que os metais sólidos, portanto, sua solubilidade e difusibilidade devem ser maiores. "

Depois que uma revisão da literatura não revelou nenhuma pesquisa anterior sobre este tópico, A Datta se candidatou com sucesso a um prêmio de US $ 1 milhão do Departamento de Energia dos EUA para estudar a viabilidade do uso de metais líquidos para separação de hidrogênio. ele e sua equipe, alunos de pós-graduação Pei-Shan Yen e Nicholas Deveau (Yen obteve seu PhD em 2016; Deveau recebeu o seu em maio), decidiu começar sua exploração com gálio, um metal não tóxico que é líquido à temperatura ambiente.

Eles realizaram um trabalho fundamental que revelou que o gálio era um excelente candidato, como demonstrou permeance de hidrogênio significativamente maior do que paládio em temperaturas elevadas. Na verdade, estudos de laboratório e modelagem teórica conduzidos pela equipe mostraram que vários metais que são líquidos em temperaturas mais altas podem ter melhor permeabilidade ao hidrogênio do que o paládio.

Embora o gálio líquido tenha se mostrado uma grande promessa como material para separação de hidrogênio, criar uma membrana funcional com o metal provou ser um desafio, Disse Datta. "Acontece que os metais líquidos são muito reativos, "ele disse." Você não pode colocar o gálio em um suporte de metal poroso, como a professora Ma fez com o paládio, já que em temperaturas mais altas ele rapidamente forma compostos intermetálicos que matam a permeabilidade. ”A equipe descobriu que o metal também reage com uma série de materiais cerâmicos comumente usados ​​como suporte em membranas de paládio.

Por meio de modelagem e experimentação, eles compilaram uma lista de materiais, incluindo materiais à base de carbono, como grafite e carboneto de silício, que não reagem quimicamente com o gálio líquido, mas que também são molháveis ​​pelo metal líquido, o que significa que o metal se espalhará para formar uma película fina no material de suporte.

Cientes de que a tensão superficial dos metais líquidos provavelmente mudaria em resposta às variações de temperatura e à composição dos gases aos quais foram expostos, potencialmente produzindo vazamentos, eles decidiram inserir o metal entre duas camadas de material de suporte para criar uma membrana de metal líquido ou SLiMM. Uma membrana que consiste em uma camada fina (dois décimos de milímetro) de gálio líquido entre uma camada de carboneto de silício e uma camada de grafite, foi construído em laboratório e testado quanto à estabilidade e permeabilidade ao hidrogênio.

A membrana foi exposta a uma atmosfera de hidrogênio por duas semanas em temperaturas variando de 480 a 550 graus C. Os resultados mostraram que o filme de gálio líquido era até 35 vezes mais permeável ao hidrogênio do que uma camada comparável de paládio e que a difusão do hidrogênio através a membrana em sanduíche era consideravelmente mais alta do que uma membrana de paládio típica. O teste também mostrou que as membranas eram seletivas, permitindo apenas a passagem de hidrogênio.

"Esses testes confirmaram nossas hipóteses de que metais líquidos podem ser candidatos adequados para membranas de separação de hidrogênio, "Datta disse, "sugerindo que esses materiais podem ser o substituto há muito procurado para o paládio. Há uma série de questões que ainda precisam ser respondidas, incluindo se as pequenas membranas que construímos no laboratório podem ser aumentadas e se as membranas serão resistentes a substâncias presentes em gases reformados (incluindo monóxido de carbono e enxofre) que são conhecidos por envenenar as membranas de paládio.

"Mas, ao demonstrar a viabilidade de membranas de metal líquido em sanduíche, abrimos a porta para uma nova área altamente promissora de pesquisa de energia de hidrogênio, "Datta adicionado, "pois existem muitos outros metais e ligas, além do gálio, que são líquidos a 500 graus C. É um vasto campo aberto, em termos de quais materiais você pode usar. Também, apresenta uma série de questões científicas interessantes. "