A produção em massa de hidrogênio a partir da água de maneira eficiente está mais perto de se tornar uma realidade graças aos pesquisadores da Faculdade de Engenharia da Universidade Estadual do Oregon e colaboradores da Universidade Cornell e do Laboratório Nacional de Argonne.

Os cientistas usaram ferramentas experimentais avançadas para criar uma compreensão mais clara de um processo catalítico eletroquímico que é mais limpo e sustentável do que derivar hidrogênio do gás natural.

As descobertas foram publicadas hoje em Avanços da Ciência .

O hidrogênio é encontrado em uma ampla gama de compostos na Terra, mais comumente combinando com oxigênio para fazer água, e tem muitos científicos, papéis industriais e relacionados com a energia. Também ocorre na forma de hidrocarbonetos, compostos que consistem em hidrogênio e carbono, como metano, o principal componente do gás natural.

"A produção de hidrogênio é importante para muitos aspectos de nossa vida, como células de combustível para carros e a fabricação de muitos produtos químicos úteis, como amônia, "disse Zhenxing Feng do estado de Oregon, um professor de engenharia química que liderou o estudo. “Também é usado no refino de metais, para a produção de materiais feitos pelo homem, como plásticos, e para uma série de outros fins. "

De acordo com o Departamento de Energia, os Estados Unidos produzem a maior parte de seu hidrogênio a partir de uma fonte de metano, como o gás natural, por meio de uma técnica conhecida como reforma vapor-metano. O processo envolve submeter o metano a vapor pressurizado na presença de um catalisador, criando uma reação que produz hidrogênio e monóxido de carbono, bem como uma pequena quantidade de dióxido de carbono.

A próxima etapa é referida como a reação de deslocamento água-gás em que o monóxido de carbono e o vapor são reagidos por meio de um catalisador diferente, fazendo dióxido de carbono e hidrogênio adicional. Na última etapa, Adsorção do balanço de pressão, o dióxido de carbono e outras impurezas são removidos, deixando para trás o hidrogênio puro.

"Comparado com a reforma do gás natural, o uso de eletricidade de fontes renováveis ​​para dividir a água para o hidrogênio é mais limpo e sustentável, "Feng disse." No entanto, a eficiência da divisão da água é baixa, principalmente devido ao alto potencial excessivo - a diferença entre o potencial real e o potencial teórico de uma reação eletroquímica - de uma meia-reação chave no processo, a reação de evolução de oxigênio ou REA. "

Uma meia-reação é uma das duas partes de um redox, ou redução-oxidação, reação na qual os elétrons são transferidos entre dois reagentes; redução se refere ao ganho de elétrons, a oxidação significa perder elétrons.

O conceito de semi-reações é frequentemente usado para descrever o que acontece em uma célula eletroquímica, e semi-reações são comumente usadas como uma forma de equilibrar as reações redox. O superpotencial é a margem entre a tensão teórica e a tensão real necessária para causar a eletrólise - uma reação química impulsionada pela aplicação de corrente elétrica.

"Os eletrocatalisadores são essenciais para promover a reação de divisão da água, reduzindo o sobrepotencial, mas o desenvolvimento de eletrocatalisadores de alto desempenho está longe de ser simples, "Feng disse." Um dos maiores obstáculos é a falta de informações sobre a estrutura em evolução dos eletrocatalisadores durante as operações eletroquímicas. Compreender a evolução estrutural e química do eletrocatalisador durante o OER é essencial para o desenvolvimento de materiais eletrocatalisadores de alta qualidade e, por sua vez, sustentabilidade energética. "

Feng e colaboradores usaram um conjunto de ferramentas avançadas de caracterização para estudar a evolução estrutural atômica de um eletrocatalisador REA de última geração, iridato de estrôncio (SrIrO ₃ ), em eletrólito ácido.

"Queríamos entender a origem de sua atividade recorde para o OER-1, 000 vezes maior do que o catalisador comercial comum, óxido de irídio, "Feng disse." Usando instalações de raios-X baseadas em síncrotron em Argonne e espectroscopia de fotoelétrons de raios-X baseada em laboratório no site de Infraestrutura de Nanotecnologia do Noroeste da OSU, observamos a transformação química de superfície e de cristalino em amorfo de SrIrO ₃ durante o REA. "

As observações levaram a uma compreensão profunda do que estava acontecendo por trás da capacidade do iridato de estrôncio de funcionar tão bem como catalisador.

"Nosso detalhado, A descoberta em escala atômica explica como a camada ativa de iridato de estrôncio se forma no iridato de estrôncio e aponta para o papel crítico da ativação do oxigênio da rede e da difusão iônica acoplada na formação das unidades OER ativas, " ele disse.

Feng acrescentou que o trabalho fornece uma visão sobre como o potencial aplicado facilita a formação das camadas amorfas funcionais na interface eletroquímica e leva a possibilidades para o projeto de melhores catalisadores.