Os pesquisadores sabem há muito tempo que o cério é o melhor elemento a ser usado ao dividir a água em hidrogênio e oxigênio - uma técnica fundamental na criação de gás hidrogênio como combustível. Mas por que, exatamente, o cério é tão bem-sucedido que foi muito menos compreendido.

Agora, uma equipe da Northwestern University liderada por Chris Wolverton descobriu que a entropia eletrônica do cério, que é criado quando um elétron faz a transição entre vários estados dentro de uma camada de elétrons, é a razão subjacente de seu sucesso. Esta descoberta pode ajudar os pesquisadores a explorar melhor a entropia do cério para tecnologias de divisão de água.

"Para que a divisão da água seja rápida o suficiente para ser prática, você precisa de uma grande quantidade de entropia, "disse Wolverton, professor de ciência de materiais e engenharia na McCormick School of Engineering da Northwestern. "Acontece que o cério é mágico para a entropia."

Apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, a pesquisa foi publicada recentemente em Nature Communications . Shahab Naghavi, um pós-doutorado no Wolverton Research Group, serviu como o primeiro autor do artigo.

Desde a década de 1970, pesquisadores têm elogiado o potencial de uma "economia do hidrogênio, "em que o hidrogênio substituiria a gasolina para abastecer o transporte terrestre. Quando queimado, o único subproduto do hidrogênio é a água, tornando-o ambientalmente mais limpo e mais eficiente em termos de energia do que suas alternativas de combustíveis fósseis. Gás de hidrogênio puro, Contudo, é muito raro na atmosfera da Terra.

"O problema é:como você consegue o hidrogênio em primeiro lugar?" Wolverton perguntou. "Atualmente, você tem que queimar hidrocarbonetos, mas isso produz dióxido de carbono. "

A divisão por água (ou vapor) poderia de forma limpa e eficiente produzir hidrogênio puro suficiente para tornar a economia de hidrogênio uma possibilidade real. Para separar o hidrogênio do oxigênio, pesquisadores usam o calor gerado pela radiação solar e óxido de cério, ou ceria. Usando a luz solar para aquecer céria a 1, 000- a 1, 500 graus Celsius impulsiona uma série de reações que fazem com que o hidrogênio se separe.

Wolverton e outros sabiam que a entropia era a chave para tornar essa reação possível, mas eles não foram capazes de encontrar a fonte da entropia do cério. "A maioria das pessoas pensava que a entropia era causada pela mistura de oxigênio ou vibrações do calor, "Wolverton disse." Mas descobrimos que é uma fonte diferente, e não é o que você pode pensar. "

Para que a reação química que leva à divisão da água seja bem-sucedida, o cério no óxido deve ganhar um elétron. E esse único elétron dá origem a uma grande quantidade de entropia.

"Se houver vários lugares para o elétron, que dá origem à entropia eletrônica, "Wolverton explicou." O elétron pode fazer a transição de um estado para outro e criar desordem na escala eletrônica, e, portanto, entropia. "

A família de elementos do cério - conhecida como terras raras - naturalmente tem mais estados de elétrons em torno dos quais o elétron pode se mover. A equipe de Wolverton calculou a entropia eletrônica de todas as 17 terras raras e descobriu que o cério demonstrou a maior quantidade.

"Por muito tempo, sabemos que o cério é bom para a divisão da água, mas não sabíamos bem por quê, "Wolverton disse." Agora sabemos parcialmente por quê, e isso abre possibilidades para trabalhos futuros. "