O desenvolvimento de células eletroquímicas novas e mais eficientes pode fornecer uma boa opção para a produção de hidrogênio e produtos químicos sem carbono, juntamente com geração e armazenamento de eletricidade em larga escala.
Mas primeiro, os cientistas devem superar vários desafios, incluindo como tornar as células mais eficientes e econômicas.

Recentemente, uma equipe de pesquisa liderada pelo Idaho National Laboratory usou um processo simples para ligar materiais com mais força dentro de células eletroquímicas cerâmicas protônicas, também conhecidas como PCECs, resolvendo um mistério que limitava o desempenho da tecnologia. Os resultados foram publicados na última edição da Nature . Este é o primeiro trabalho de pesquisa liderado pelo INL publicado nessa revista em quase 30 anos.

A equipe incluiu pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, da Universidade Estadual do Novo México e da Universidade de Nebraska-Lincoln.

Assim como as baterias recarregáveis ​​usam química para armazenar eletricidade para uso posterior, os PCECs podem converter o excesso de eletricidade e água em hidrogênio. Os PCECs também podem operar no sentido inverso, convertendo hidrogênio em eletricidade. A tecnologia usa materiais cristalinos chamados perovskitas, que são baratos e capazes de operar em uma ampla faixa de temperaturas.

Pesquisadores nos EUA estão desenvolvendo as células eletroquímicas principalmente para geração de hidrogênio, mas também várias outras aplicações. O hidrogênio produzido por essas células também pode ser usado como combustível para aquecimento, veículos, produção química ou outras aplicações.

Em teoria, os PCECs devem operar com mais eficiência em uma faixa mais ampla de temperaturas do que tipos semelhantes de células eletroquímicas. Mas até agora, os pesquisadores não conseguiram atingir o potencial teórico da tecnologia.

"Os PCECs devem ter um bom desempenho devido à sua alta condutividade e pequena energia de ativação associada", disse Dong Ding, um distinto engenheiro/cientista do INL. "No entanto, descobrimos que seu desempenho atual é inferior ao que esperávamos, e nossa equipe no INL se dedica a entender o porquê desde 2017."

A equipe decidiu resolver o mistério medindo quão bem os prótons (átomos de hidrogênio carregados positivamente) fluíram pela interface eletrodo/eletrólito. Com certeza, a interface era o problema. Especificamente, Wei Wu, pesquisador de engenharia de materiais do INL, suspeitou que o eletrodo e o eletrólito não estavam ligados com força suficiente.

Ding e seus colegas usaram um tratamento ácido simples para ligar o eletrodo ao eletrólito, permitindo uma transferência de energia mais eficiente. "O tratamento com ácido simples pode rejuvenescer a superfície do PCEC, para ajudá-lo a alcançar o máximo desempenho", disse Wenjuan Bian, pós-doutorando e principal colaborador deste projeto. "Esta abordagem pode ser facilmente ampliada e integrada para fabricação de células grandes e pilhas"

Após um exame minucioso, os pesquisadores descobriram que o tratamento com ácido aumentou a área de contato entre o eletrodo e o eletrólito – desbastando a superfície da mesma maneira que um oleiro desbasta a argila úmida de um copo antes de prender a alça.

O aumento da área de superfície causou uma ligação mais estreita entre eletrodo e eletrólito que permitiu um fluxo mais eficiente de átomos de hidrogênio. Além disso, a estabilidade da célula melhorou significativamente, especialmente sob certas condições extremas.

Esse processo pode abrir as portas para inúmeras aplicações de "hidrogênio limpo e verde", disse Wu.

"O PCEC de alto desempenho nos permite reduzir a temperatura de operação para 350 C", disse Ding. "A temperatura operacional reduzida permite materiais mais baratos para a montagem em grande escala, incluindo a pilha. Mais importante, a tecnologia opera dentro da mesma faixa de temperatura que vários processos industriais importantes e atuais, incluindo produção de amônia e CO₂ redução. Combinar essas temperaturas agilizará a adoção da tecnologia na indústria existente. Na verdade, estamos acelerando a expansão dessas células no INL, integrando essa tecnologia em nossos processos de fabricação." + Explore mais

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