Em um trabalho que pode levar a processos mais eficientes e ecologicamente corretos para a produção de metais importantes como lítio, ferro e cobalto, pesquisadores do MIT e do SLAC mapearam o que está acontecendo no nível atômico por trás de uma abordagem particularmente promissora chamada eletrólise de metais.
Ao criar mapas para uma ampla gama de metais, eles não apenas determinaram quais metais deveriam ser mais fáceis de produzir usando essa abordagem, mas também identificaram barreiras fundamentais por trás da produção eficiente de outros. Como resultado, o mapa dos pesquisadores pode se tornar uma importante ferramenta de design para otimizar a produção de todos esses metais.

O trabalho também pode ajudar no desenvolvimento de baterias de metal-ar, primas das baterias de íons de lítio usadas nos veículos elétricos atuais.

A maioria dos metais essenciais para a sociedade hoje é produzida usando combustíveis fósseis. Esses combustíveis geram as altas temperaturas necessárias para converter o minério original em seu metal purificado. Mas esse processo é uma fonte significativa de gases de efeito estufa – o aço sozinho responde por cerca de sete por cento das emissões de dióxido de carbono globalmente. Como resultado, pesquisadores de todo o mundo estão trabalhando para identificar formas mais ecológicas para a produção de metais.

Uma abordagem promissora é a eletrólise do metal, na qual um óxido metálico, o minério, é eletrocutado para criar metal puro com oxigênio como subproduto. Essa é a reação explorada em nível atômico na pesquisa atual, relatada na edição de 8 de abril de 2022 da revista Chemistry of Materials .

Donald Siegel é chefe do departamento e professor de engenharia mecânica da Universidade do Texas em Austin. Diz Siegel, que não estava envolvido na Química de Materiais estudo:"Este trabalho é uma contribuição importante para melhorar a eficiência da produção de metal a partir de óxidos metálicos. Ele esclarece nossa compreensão dos processos de eletrólise de baixo carbono, rastreando a termodinâmica subjacente às interações metal-oxigênio elementares. Espero que este trabalho ajude na criação de regras de design que tornarão esses processos industrialmente importantes menos dependentes de combustíveis fósseis."

Yang Shao-Horn, professor de engenharia da JR East no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT (DMSE) e no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT, é líder do trabalho atual com Michal Bajdich do Laboratório Nacional de Aceleradores do SLAC na Califórnia.

"Aqui, pretendemos estabelecer algum entendimento básico para prever a eficiência da produção de metal eletroquímico e baterias de metal-ar a partir do exame de barreiras termodinâmicas computadas para a conversão entre metal e óxidos de metal", diz Shao-Horn, que faz parte da equipe de pesquisa para O novo Centro de Eletrificação e Descarbonização da Indústria do MIT, vencedor da primeira competição Climate Grand Challenges do Instituto. Shao-Horn também é afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT e ao Laboratório de Pesquisa Eletrônica.

Além de Shao-Horn e Bajdich, outros autores do artigo de Química dos Materiais são Jaclyn R. Lunger, primeira autora e estudante de pós-graduação do DMSE, e Naomi Lutz e Jiayu Peng. Lutz recebeu seu diploma de bacharel pelo MIT em engenharia mecânica em 2022. Peng é estudante de pós-graduação do DMSE.

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O trabalho também pode ajudar no desenvolvimento de baterias de metal-ar, como baterias de lítio-ar, alumínio-ar e zinco-ar. Esses primos das baterias de íons de lítio usadas nos veículos elétricos de hoje têm o potencial de eletrificar a aviação porque suas densidades de energia são muito maiores. No entanto, eles ainda não estão no mercado devido a uma variedade de problemas, incluindo ineficiência.

O carregamento de baterias de metal-ar também envolve eletrólise. Como resultado, a nova compreensão em nível atômico dessas reações poderia não apenas ajudar os engenheiros a desenvolver rotas eletroquímicas eficientes para a produção de metais, mas também projetar baterias de metal-ar mais eficientes.

Aprendendo com a divisão da água

A eletrólise também é usada para dividir a água em oxigênio e hidrogênio, que armazena a energia resultante. Esse hidrogênio, por sua vez, pode se tornar uma alternativa ecológica aos combustíveis fósseis. Como se sabe muito mais sobre a eletrólise da água, foco do trabalho de Bajdich no SLAC, do que a eletrólise de óxidos metálicos, a equipe comparou os dois processos pela primeira vez.

O resultado:"Lentamente descobrimos as etapas elementares envolvidas na eletrólise do metal", diz Bajdich. O trabalho foi desafiador, diz Lunger, porque "não estava claro para nós quais são essas etapas. Tivemos que descobrir como ir de A para B", ou de um óxido metálico para metal e oxigênio.

Todo o trabalho foi realizado com simulações de supercomputadores. "É como uma caixa de areia de átomos, e depois brincamos com eles. É um pouco como Legos", diz Bajdich. Mais especificamente, a equipe explorou diferentes cenários para a eletrólise de vários metais. Cada um envolveu catalisadores diferentes, moléculas que aumentam a velocidade de uma reação.

Diz Lunger, "Para otimizar a reação, você quer encontrar o catalisador que a torna mais eficiente". O mapa da equipe é essencialmente um guia para projetar os melhores catalisadores para cada metal diferente.

Qual é o próximo? Lunger observou que o trabalho atual se concentra na eletrólise de metais puros. "Estou interessado em ver o que acontece em sistemas mais complexos envolvendo vários metais. Você pode tornar a reação mais eficiente se houver sódio e lítio presentes, ou cádmio e césio?" + Explorar mais

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