Com o dióxido de carbono atmosférico a níveis recorde, a procura de alternativas energéticas limpas à utilização de combustíveis fósseis torna-se cada vez mais urgente.



Um obstáculo que os investigadores enfrentam é que a actual tecnologia de células de combustível depende da utilização de catalisadores metálicos caros, como a platina, para converter hidrogénio em energia; no entanto, uma equipe da Faculdade e Escola de Pós-Graduação em Artes e Ciências da Universidade da Virgínia identificou uma molécula orgânica que poderia ser um substituto eficaz e menos dispendioso para os catalisadores metálicos convencionais.

As células de combustível que tornam possíveis veículos elétricos e geradores industriais e residenciais e que são necessárias para armazenar a energia gerada pelo vento ou pelo sol usam metais como a platina para desencadear a reação química que divide fontes de combustível como o gás hidrogênio em prótons e elétrons que são então aproveitados como eletricidade.

Até agora, os substitutos orgânicos para catalisadores de metais raros não eram considerados práticos porque o processo de catálise fazia com que eles se quebrassem em componentes que não eram mais úteis. Em um artigo publicado no Journal of the American Chemical Society , no entanto, os professores associados de química Charles Machan e Michael Hilinski, juntamente com o Ph.D. as estudantes Emma Cook e Anna Davis identificam uma molécula orgânica composta de carbono, hidrogênio, nitrogênio e flúor que tem potencial para ser um substituto prático.

A molécula pode não apenas iniciar a redução do oxigênio – a reação que ocorre dentro da célula de combustível – disse Machan; pode continuar a reagir com os produtos da reação e depois voltar ao seu estado original.

"Essas moléculas são estáveis ​​sob condições em que a maioria das moléculas se degrada e continuam a atingir uma atividade que corresponde ao nível dos catalisadores de metais de transição", disse Machan.

A descoberta representa um avanço significativo na busca por células de combustível eficientes que utilizem materiais mais sustentáveis ​​e menos dispendiosos de produzir e pode resultar no desenvolvimento da próxima geração de células de combustível nos próximos cinco a dez anos, mas a descoberta da equipe as descobertas são apenas o começo.

“Esta molécula em si pode não se transformar numa célula de combustível”, disse Machan. "O que esta descoberta diz é que pode haver materiais catalíticos à base de carbono, e se você modificar aqueles com certos grupos químicos, poderá transformá-los em grandes catalisadores para a reação de redução de oxigênio. O objetivo final é integrar as propriedades que tornar esta molécula tão estável em um material a granel para suplantar o uso da platina."

Hilinski, cujo grupo de pesquisa se concentra em química orgânica, enfatizou a importância da natureza interdisciplinar da equipe de pesquisa. “Essa molécula que usamos como catalisador tem uma história em meu laboratório, mas sempre pesquisamos seu uso em reações químicas realizadas em moléculas muito maiores e contendo carbono – como os ingredientes ativos dos medicamentos”, disse Hilinski.

"Sem a experiência de Charlie Machan, não acho que teríamos feito a conexão com a química das células de combustível."

A descoberta também poderá ter implicações para a produção industrial de peróxido de hidrogénio, um produto doméstico que também é utilizado na produção de papel e no tratamento de águas residuais.

“O processo de produção do peróxido de hidrogênio é prejudicial ao meio ambiente e consome muita energia”, disse Machan. "É necessária a reforma do metano a vapor em alta temperatura para liberar o hidrogênio usado para gerá-lo."

As descobertas de sua equipe também poderiam melhorar o componente catalítico desse processo, o que poderia ter impactos positivos na indústria e no meio ambiente, bem como na tecnologia de tratamento de água.

Hilinski também destacou que a descoberta e a colaboração que a levou a ela poderiam ter impactos que vão muito além do armazenamento de energia. “No geral, uma das coisas mais interessantes deste estudo é que, ao eletrificar o catalisador, mudamos a forma como ele reage. Isso é algo inesperado que também pode ser útil para a síntese de medicamentos, que meu grupo de pesquisa está ansioso para fazer. explorar."

Machan, cujo grupo de pesquisa se concentra em eletroquímica molecular, também credita a natureza interdisciplinar da equipe de pesquisa pela descoberta.

"Sem o conhecimento do grupo de Mike Hilinski na produção de moléculas orgânicas estáveis ​​que podem sofrer o tipo de reações necessárias, o trabalho não teria sido possível. Esta molécula orgânica única nos permitiu fazer algo que normalmente apenas os metais de transição podem fazer." Machan disse.

Mais informações: Emma N. Cook et al, Metal-Free Homogeneous O2 Reduction by an Iminium-Based Electrocatalyst, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c14549
Informações do diário: Jornal da Sociedade Americana de Química

Fornecido pela Universidade da Virgínia