A capacidade das plantas de coletar a luz do sol e dividir a água em hidrogênio e oxigênio por meio da fotossíntese há muito fascina os cientistas. que procuraram replicar o processo de captura de hidrogênio como fonte de combustível renovável e sustentável.

Apesar de sua promessa, o uso em larga escala de hidrogênio é restrito pelo custo e eficiência em seus processos de extração, que requer uma entrada de energia para reverter a reação que combina oxigênio e hidrogênio em primeiro lugar.

Um método é a eletrólise, onde uma corrente elétrica é aplicada à água inserindo dois eletrodos e a ligação química entre os átomos de hidrogênio e oxigênio é quebrada.

Isso libera o hidrogênio como um gás que pode ser capturado e convertido em energia elétrica em uma célula de combustível, onde os únicos subprodutos de seu uso são calor e água.

O desafio para os cientistas é encontrar um catalisador para impulsionar a eletrólise que requeira menos energia do que a obtida com o hidrogênio resultante.

O que complica é que os materiais usados ​​na eletrólise começam a corroer quando uma corrente é aplicada, exigindo o uso de metais nobres, como platina, ouro ou prata.

São metais caros e raros, normalmente usados ​​em eletrônicos, medicamentos e como catalisadores para reações químicas.

Desafios catalíticos

Dr. Yi Du, um Pesquisador Sênior do Instituto de Supercondutores e Materiais Eletrônicos da Universidade de Wollongong (ISEM), disse que o maior desafio na divisão de água em escala industrial é encontrar alta eficiência, eletrocatalisadores de baixo custo e abundantes em terra, que pode diminuir a voltagem necessária para dividir a água em hidrogênio.

“A água é uma fonte limpa que pode ser acessada de forma sustentável, o que o torna um substituto atraente e promissor para o gás liquefeito de petróleo, se pudermos reduzir a demanda de energia para dividir a água, "Dr. Du disse.

"De um modo geral, existem poucos eletrocatalisadores para tornar a produção de hidrogênio econômica o suficiente para uso em escala comercial. "

A equipe do Dr. Du no ISEM, em colaboração com pesquisadores da Beihang University na China, fabricaram um eletrocatalisador de alto desempenho usando um metal de baixo custo que está se mostrando adequado para uso em separação de água.

Os óxidos de titânio são uma matéria-prima abundante comumente encontrada como um pó branco em minérios, areias e solos, e muitas vezes usado como pigmentos em produtos como protetor solar, cosméticos, tintas e adesivos, entre outros usos.

Embora o titânio tenha excelente resistência à corrosão e condutividade elétrica, em seu óxido é um isolante, e os pesquisadores há muito consideram que ele não é adequado para uso como eletrocatalisador.

A equipe do Dr. Du conseguiu pegar um único cristal de óxido de titânio e em uma câmara de vácuo, remova todos os átomos de oxigênio da superfície, deixando um condutor, material catalisador durável e eficiente que é barato e fácil de produzir

"Comparado a um catalisador tradicional, o óxido de titânio condutor requer muito pouca entrada de energia para conduzir o processo de separação de água por eletrólise, "Dr. Du disse.

“Ao introduzir um grande número de vacâncias de oxigênio na superfície do material, podemos otimizar suas propriedades físicas e químicas para ser ativo na separação da água.

"Demonstramos que uma série de abundantes, materiais de baixo custo e quimicamente estáveis ​​à base de titânio são eletrocatalisadores promissores na divisão de água, o que pode reduzir muito o custo desta técnica e acelerar o uso em larga escala. "

Potencial de energia com emissões zero

Se a energia elétrica para alimentar a reação também for proveniente de geração renovável, o processo tem o potencial de ser quase neutro em termos de energia.

"Existem algumas aplicações para o uso deste combustível, talvez a aplicação mais promissora seja a divisão de água em grande escala para fábricas de energia que têm altas demandas de energia, "Dr. Du disse.

O hidrogênio pode ser convertido em energia elétrica por meio de células de combustível que podem operar continuamente na presença de hidrogênio e oxigênio.

"O uso de células solares para coletar energia para alimentar o processo também é uma maneira promissora de produzir hidrogênio de forma sustentável com emissões zero para uso no transporte por veículos com células a combustível de hidrogênio."

Ao pegar a mangueira do jardim para abastecer o carro pode parecer ficção científica, O Dr. Du disse que os desafios fundamentais do lado da produção da equação do hidrogênio são o custo e a eficiência.

“O maior desafio ainda é o custo do catalisador. É por isso que precisamos de um catalisador eficiente e barato, que pode converter água em hidrogênio de forma eficaz. "

O trabalho foi publicado recentemente na revista. Catálise ACS e é baseado na colaboração com a Beihang University por meio do Beihang-UOW Joint Research Centre.