Embora as fontes de energia como a eólica e a solar sejam ótimas na produção de eletricidade livre de emissões, eles dependem do sol e do vento, portanto, a oferta nem sempre atende à demanda. Da mesma forma, as usinas nucleares operam com mais eficiência na capacidade máxima, de modo que a geração de eletricidade não pode ser facilmente aumentada ou reduzida para atender à demanda.

Por décadas, os pesquisadores de energia tentaram resolver um grande desafio:como armazenar o excesso de eletricidade para que possa ser liberado de volta na rede quando necessário?

Recentemente, pesquisadores do Laboratório Nacional de Idaho ajudaram a responder a esse desafio desenvolvendo um novo material de eletrodo para uma célula eletroquímica que pode converter o excesso de eletricidade e água em hidrogênio com eficiência. Quando a demanda por eletricidade aumenta, a célula eletroquímica é reversível, convertendo hidrogênio de volta em eletricidade para a rede. O hidrogênio também pode ser usado como combustível para aquecimento, veículos ou outras aplicações.

Os resultados apareceram online esta semana no jornal Nature Communications .

Os pesquisadores há muito reconheceram o potencial do hidrogênio como meio de armazenamento de energia, disse Dong Ding, um engenheiro / cientista sênior e líder do grupo de processamento químico do INL.

“O grande desafio do armazenamento de energia, com suas diversas necessidades de pesquisa e desenvolvimento, deu origem a mais oportunidades para o hidrogênio, "disse Ding." Nosso objetivo é o hidrogênio como o intermediário de energia para armazenar energia de forma eficiente.

Ding e seus colegas melhoraram um tipo de célula eletroquímica chamada célula eletroquímica de cerâmica protônica (PCEC), que usa eletricidade para dividir o vapor em hidrogênio e oxigênio.

Contudo, no passado, esses dispositivos tinham limitações, especialmente o fato de que operam em temperaturas de até 800 graus C. As altas temperaturas requerem materiais caros e resultam em degradação mais rápida, tornando o custo das células eletroquímicas proibitivo.

No papel, Ding e colegas descrevem um novo material para o eletrodo de oxigênio - o condutor que facilita a divisão da água e as reações de redução de oxigênio simultaneamente. Ao contrário da maioria das células eletroquímicas, este novo material - um óxido de um composto chamado perovskita - permite que a célula converta hidrogênio e oxigênio em eletricidade sem hidrogênio adicional.

Anteriormente, Ding e seus colegas desenvolveram uma arquitetura 3-D semelhante a uma malha para o eletrodo que disponibilizou mais área de superfície para dividir a água em hidrogênio e oxigênio. Juntos, as duas tecnologias - o eletrodo de malha 3-D e o novo material do eletrodo - permitiram a autossustentabilidade, operação reversível a 400 a 600 graus C.

"Demonstramos a viabilidade da operação reversível do PCEC em baixas temperaturas para converter o hidrogênio gerado no modo de hidrólise em eletricidade, sem qualquer suprimento externo de hidrogênio, em uma operação autossustentável, "Ding disse." É um grande passo para a eletrólise de alta temperatura. "

Embora os eletrodos de oxigênio anteriores conduzissem apenas elétrons e íons de oxigênio, a nova perovskita é "tripla condução, "Ding disse, o que significa que conduz elétrons, íons de oxigênio e prótons. Em termos práticos, o eletrodo de condução tripla significa que a reação acontece mais rápido e com mais eficiência, assim, a temperatura operacional pode ser reduzida, mantendo o bom desempenho.

Para Ding e seus colegas, o truque era descobrir como adicionar o elemento ao material do eletrodo de perovskita que daria a ele as propriedades de condução tripla - um processo chamado dopagem. "Demonstramos com sucesso uma estratégia de dopagem eficaz para desenvolver um bom óxido de condução tripla, que permite um bom desempenho da célula em temperaturas reduzidas, "disse Hanping Ding, um cientista de materiais e engenheiro do Grupo de Processamento Químico do Laboratório Nacional de Idaho.

No futuro, Dong Ding e seus colegas esperam continuar melhorando a célula eletroquímica combinando inovação de materiais com processos de fabricação de ponta para que a tecnologia possa ser usada em escala industrial.