p Os químicos da Universidade de Oregon obtiveram ganhos substanciais no aumento da reação de dissociação catalítica da água em reatores eletroquímicos, chamados eletrolisadores de membrana bipolar, para separar com mais eficiência as moléculas de água em prótons carregados positivamente e íons hidróxido carregados negativamente. p A descoberta, publicado online antes da impressão no jornal Ciência , fornece um roteiro para realizar dispositivos eletroquímicos que se beneficiam da propriedade-chave da operação das membranas bipolares - gerar os prótons e íons hidróxido dentro do dispositivo e fornecer os íons diretamente aos eletrodos para produzir os produtos químicos finais.

p A tecnologia por trás das membranas bipolares, que são polímeros de troca iônica em camadas ensanduichando uma camada de catalisador de dissociação de água, surgiu na década de 1950. Embora tenham sido aplicados industrialmente em pequena escala, seu desempenho está atualmente limitado à operação de baixa densidade de corrente, o que dificulta aplicações mais amplas.

p Entre eles estão dispositivos para produzir gás hidrogênio a partir de água e eletricidade, capturar dióxido de carbono da água do mar, e fazer combustíveis à base de carbono diretamente do dióxido de carbono, disse o co-autor Shannon W. Boettcher, professor do Departamento de Química e Bioquímica da UO e diretor fundador do Oregon Center for Electrochemistry,

p "Suspeito que nossas descobertas irão acelerar o ressurgimento do desenvolvimento de dispositivos de membrana bipolar e da pesquisa sobre os fundamentos da reação de dissociação da água, "disse Boettcher, que também é membro do Instituto de Ciência de Materiais e associado do Campus Phil e Penny Knight da UO para Acelerar o Impacto Científico.

p "O desempenho que demonstramos é suficientemente alto, "disse ele." Se pudermos melhorar a durabilidade e fabricar as membranas bipolares com nossos parceiros da indústria, deve haver aplicações imediatas importantes. "

p Tipicamente, dispositivos eletroquímicos à base de água, como baterias, células de combustível e eletrolisadores operam em um único pH em todo o sistema, ou seja, o sistema é ácido ou básico, disse o principal autor do estudo, Sebastian Z. Oener, um bolsista de pós-doutorado apoiado por uma bolsa da Fundação de Pesquisa Alemã no laboratório de Boettcher.

p "Muitas vezes, isso leva ao uso de metais preciosos caros para catalisar reações de eletrodo, como irídio, um dos metais mais raros da terra, ou sacrificando a atividade do catalisador, que, por sua vez, aumenta a entrada de energia necessária do reator eletroquímico, "Oener disse." Uma membrana bipolar pode superar essa desvantagem operando cada eletrocatalisador localmente em seu ambiente de pH ideal. Isso aumenta a respiração do estábulo, disponibilidade de catalisador abundante em terra para cada meia-reação. "

p A equipe de três membros, que também incluiu o estudante de graduação Marc J. Foster, usou um conjunto membrana-eletrodo onde a membrana bipolar do polímero é comprimida entre dois eletrodos porosos rígidos. Essa abordagem permitiu que eles fizessem um grande número de membranas bipolares com diferentes camadas de catalisador de dissociação de água e medissem com precisão a atividade de cada uma.

p A equipe descobriu que a posição exata de cada camada de catalisador dentro da junção da membrana bipolar - a interface entre uma camada condutora de hidróxido e a camada condutora de próton na membrana bipolar - afeta drasticamente a atividade do catalisador. Isso permitiu que eles usassem bicamadas de catalisador para realizar membranas bipolares de desempenho recorde que essencialmente dissociam a água com insignificante entrada de energia extra perdida.

p "A maior surpresa foi perceber que o desempenho poderia ser melhorado substancialmente colocando diferentes tipos de catalisadores em camadas, uns sobre os outros, "Boettcher disse." Isso é simples, mas não foi totalmente explorado. "

p Uma segunda descoberta importante, Oener disse, é que a reação de dissociação da água que ocorre dentro da membrana bipolar está fundamentalmente relacionada com a que ocorre nas superfícies do eletrocatalisador, como quando os prótons são extraídos diretamente das moléculas de água ao fazer o hidrogênio combustível em condições básicas de pH.

p "Isso é único porque antes não foi possível separar as etapas individuais que ocorrem durante uma reação eletroquímica, "Oener disse." Eles estão todos ligados, envolvendo elétrons e intermediários, e prossiga rapidamente em série. A arquitetura da membrana bipolar nos permite isolar a etapa química da dissociação da água e estudá-la isoladamente. "

p Essa descoberta, ele disse, também pode levar a eletrocatalisadores aprimorados para reações que produzem diretamente combustíveis reduzidos a partir da água, como a produção de gás hidrogênio ou combustível líquido a partir do dióxido de carbono residual.

p As descobertas, Boettcher disse, fornecer um modelo mecanicista provisório, um que poderia abrir o campo e motivar muitos mais estudos.

p "Estamos entusiasmados para ver a resposta da comunidade de pesquisa e ver se essas descobertas podem ser traduzidas em produtos que reduzem a dependência da sociedade em combustíveis fósseis, " ele disse.