Cientistas da Universidade de Stanford desenvolveram um mecanismo eletrocatalítico que funciona como o pulmão de um mamífero para converter água em combustível. Sua pesquisa, publicado em 20 de dezembro na revista Joule , poderia ajudar as tecnologias de energia limpa existentes a funcionar com mais eficiência.

O ato de inspirar e expirar é tão automático para a maioria dos organismos que pode ser confundido como simples, mas o processo de respiração dos mamíferos é na verdade um dos sistemas mais sofisticados de troca gasosa bidirecional encontrados na natureza. A cada respiração, o ar se move através do minúsculo, bronquíolos dos pulmões em forma de passagem até atingirem bolsas diminutas chamadas alvéolos. De lá, o gás deve passar para a corrente sanguínea sem simplesmente se difundir, que causaria a formação de bolhas prejudiciais. É a estrutura única dos alvéolos - incluindo uma membrana de mícron de espessura que repele as moléculas de água no interior enquanto as atrai na superfície externa - que impede a formação dessas bolhas e torna a troca gasosa altamente eficiente.

Os cientistas do laboratório do autor sênior Yi Cui no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Stanford se inspiraram neste processo para desenvolver eletrocatalisadores melhores:materiais que aumentam a taxa de uma reação química em um eletrodo. "As tecnologias de energia limpa demonstraram a capacidade de entrega rápida de reagente de gás para a interface de reação, mas o caminho reverso - evolução eficiente do produto de gás a partir da interface catalisador / eletrólito - continua desafiador, "diz Jun Li, o primeiro autor do estudo.

O mecanismo da equipe imita estruturalmente o alvéolo e realiza dois processos diferentes para melhorar as reações que impulsionam tecnologias sustentáveis, como células de combustível e baterias de metal-ar.

O primeiro processo é análogo à expiração. O mecanismo divide a água para produzir gás hidrogênio, um combustível limpo, oxidando moléculas de água no ânodo de uma bateria, reduzindo-as no cátodo. O gás oxigênio (junto com o gás hidrogênio) é rapidamente produzido e transportado através de um tubo fino, membrana semelhante a um alvéolo feita de polietileno - sem os custos de energia da formação de bolhas.

O segundo processo é mais parecido com a inalação e gera energia por meio de uma reação que consome oxigênio. O gás oxigênio é fornecido ao catalisador na superfície do eletrodo, portanto, pode ser usado como reagente durante as reações eletroquímicas.

Embora ainda esteja nas fases iniciais de desenvolvimento, o design parece promissor. A membrana de nano-polietileno excepcionalmente fina permanece hidrofóbica por mais tempo do que as camadas convencionais de difusão de gás à base de carbono, e este modelo é capaz de atingir taxas de densidade de corrente mais altas e menor excesso de potencial do que os projetos convencionais.

Contudo, este design inspirado no pulmão ainda tem espaço para melhorias antes de estar pronto para uso comercial. Uma vez que a membrana de nano-polietileno é um filme à base de polímero, não pode tolerar temperaturas superiores a 100 graus Celsius, o que poderia limitar suas aplicações. A equipe acredita que este material pode ser substituído por membranas hidrofóbicas nanoporosas igualmente finas, capazes de suportar maior calor. Eles também estão interessados ​​em incorporar outros eletrocatalisadores no projeto do dispositivo para explorar totalmente suas capacidades catalíticas.

"A estrutura que imita a respiração pode ser acoplada a muitos outros eletrocatalisadores de última geração, e uma maior exploração do eletrodo trifásico gás-líquido-sólido oferece oportunidades interessantes para catálise, "diz Jun Li.