A ideia de usar o hidrogênio como base de uma fonte de energia limpa e sustentável, frequentemente chamada de economia de hidrogênio, tem sido um assunto de conversa por décadas. Combustível de hidrogênio, por exemplo, não emite dióxido de carbono e é considerado mais sustentável do que os combustíveis fósseis tradicionais.

O elemento mais leve da tabela periódica, hidrogênio é um transportador de energia que pode ser usado para alimentar células de combustível em veículos de transporte, edifícios ou outras infraestruturas. O hidrogênio também pode ajudar a reciclar coisas como palha, gramíneas e outras biomassas em produtos químicos de alto valor usados ​​em tudo, desde plásticos a tintas e itens de higiene pessoal.

Mas a tecnologia que impulsiona essas inovações enfrentou sérios desafios, principalmente porque a liberação de hidrogênio para esses usos é produzida principalmente por meio de processos que requerem combustíveis fósseis e têm um custo ambiental - dióxido de carbono.

Agora, O engenheiro da Universidade de Delaware, Feng Jiao, patenteou um processo que pode ser a chave para a produção de hidrogênio mais verde a partir da água usando eletricidade e um catalisador de cobre-titânio.

Foco nas energias renováveis

Jiao, professor associado de engenharia química e biomolecular e diretor associado do Centro de Ciência e Tecnologia Catalítica da UD, nem sempre estava interessado na eletrólise da água, que usa eletricidade para reduzir a água em gás hidrogênio e moléculas de oxigênio. Quando ele se juntou ao corpo docente da UD em 2010, seu programa de pesquisa enfocou a capacidade de armazenamento de energia das baterias.

"Mas percebemos que as baterias são uma tecnologia cara para armazenamento de energia em grande escala, então meu laboratório começou a se concentrar em maneiras benéficas de usar eletricidade, "Jiao disse." A conversão química é uma maneira de fazer isso. "

Inicialmente, Jiao e sua equipe de pesquisa se concentraram no desenvolvimento de processos para transformar o dióxido de carbono em produtos químicos úteis, como o etanol que pode ser usado em combustíveis sintéticos, ou etileno que pode ser usado para produzir polímeros e plásticos. Um projeto, financiado pela National Science Foundation e mais tarde pela National Aeronautics and Space Administration (NASA), explorou maneiras de converter dióxido de carbono em oxigênio, algo que seria muito útil para a exploração do espaço profundo. Jiao e seus alunos desenvolveram um sistema eficiente, mas descobriram que precisavam de um catalisador melhor para impulsionar a reação.

Enquanto eles testavam diferentes metais para o trabalho, os pesquisadores descobriram inesperadamente que uma liga de cobre-titânio está entre apenas algumas não preciosas, catalisadores à base de metal que podem dividir a água em gás hidrogênio e oxigênio, um processo conhecido como evolução de hidrogênio. Tanto o cobre quanto o titânio são considerados baratos e relativamente abundantes quando comparados aos metais preciosos, como prata ou platina, normalmente adequado para o trabalho.

O hidrogênio é atualmente produzido usando o que é conhecido como reforma vapor-metano, onde o gás natural e o alto calor são empregados para liberar as moléculas de hidrogênio do metano. Jiao chama isso de "processo sujo" porque quando o gás hidrogênio é removido, tudo o que resta é carbono, geralmente na forma de dióxido de carbono.

"Então, você pode produzir hidrogênio barato, mas a um custo ambiental - emissões de dióxido de carbono, "diz Jiao.

Isso fez Jiao pensar em maneiras mais limpas de produzir hidrogênio sem custos ambientais.

Limpador, processos mais verdes

O cobre é conhecido por ser bom na condução de calor e eletricidade. É por isso que é o material de escolha para a fiação elétrica em nossas casas, utensílios de cozinha, eletrônicos, peças de veículos motorizados, até mesmo ar condicionado e peças de aquecimento doméstico.

Contudo, o cobre sozinho não é eficaz na produção de hidrogênio. Mas adicione um pouco de química interessante - e um pouquinho de titânio - e um mundo de possibilidades de repente se abre para criar catalisadores que puxam seu peso e servem ao meio ambiente.

"Com um pouco de titânio nele, the copper catalyst behaves about 100 times better than copper alone, " said Jiao. This is because, when paired together, the two metals create uniquely active sites that help the hydrogen atoms strongly interact with the catalyst surface in a way that is comparable to the performance of much more expensive platinum-based catalysts.

While traditional chemical processes start with fossil fuels, such as coal or gas, and add oxygen to produce various chemicals, Jiao explained, with hydrogen the reverse chemical reaction is possible.

"We can start with the most oxidized form of carbon—carbon dioxide—and add hydrogen to produce the same chemicals, which has a lot of potential for reducing carbon emissions, "disse Jiao, who spoke at a U.S. Senate Committee hearing on carbon capture and neutralization in 2018.

The Jiao team performs a life cycle analysis on each process they invent to evaluate the economics of how the technology stacks up against currently accepted methods. They ask themselves questions such as "Is the invention cost-effective? Is it better or worse than existing technology, and how much can be gained by using the process?"

Early results show that a copper-titanium catalyst can produce hydrogen energy from water at a rate more than two times higher than the current state-of-the-art platinum catalyst. Jiao's electrochemical process can operate at near-room temperatures (70 to 176 degrees Fahrenheit), for the most part, também, which increases the catalyst's energy efficiency and can greatly lower the overall capital cost of the system.

Jiao already has filed a patent application on the process with the help of UD's Office of Economic Innovation and Partnerships (OEIP), but he said more work is needed in terms of scaling the process for commercial applications. If they can make it work, the savings would be big—an alternative catalyst that is three orders of magnitude cheaper than the current state-of-the-art platinum-based catalyst.

Future development efforts will focus on ways to increase the size of the water electrolyzer from lab scale to commercial scale. Additional testing of the catalyst's stability also is planned. The researchers are exploring different combinations of metals, também, to find the sweet spot between performance and cost.

"Once you have the technology, you can create jobs around material supply, manufacturing, and once you can build a product, you can commercialize and export it, "disse Jiao.

Feng Jiao and colleagues from Columbia University and Xi'an Jiaotong University recently reported their latest findings in an article in Catálise ACS , a journal of the American Chemical Society. His colleague at Columbia University is Jingguang Chen, a former professor in UD's Department of Chemical and Biomolecular Engineering.