É fácil ser optimista em relação ao hidrogénio como combustível ideal. É muito mais difícil encontrar uma solução para um problema absolutamente fundamental:como armazenar este combustível de forma eficiente? Uma equipa suíço-polaca de físicos experimentais e teóricos encontrou a resposta à questão de saber por que as tentativas anteriores de utilizar o promissor hidreto de magnésio para este fim se revelaram insatisfatórias e por que poderão ter sucesso no futuro.



O hidrogénio é visto há muito tempo como o transportador de energia do futuro. No entanto, antes que se torne uma realidade no sector energético, devem ser desenvolvidos métodos eficientes de armazenamento. Os materiais – seleccionados de forma a que, com baixo custo energético, o hidrogénio possa primeiro ser injectado neles e depois recuperado a pedido, de preferência em condições semelhantes às típicas do nosso ambiente quotidiano – parecem ser a solução ideal.

Um candidato promissor para armazenamento de hidrogênio parece ser o magnésio. Convertê-lo em hidreto de magnésio, entretanto, requer um catalisador adequadamente eficiente, que ainda não foi encontrado.

O trabalho de uma equipe de cientistas da Empa – os Laboratórios Federais Suíços de Ciência e Tecnologia de Materiais em Dübendorf, e o Departamento de Química da Universidade de Zurique, bem como o Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia, mostrou que a razão para os muitos anos de fracasso até agora reside numa compreensão incompleta dos fenómenos que ocorrem no magnésio durante a injeção de hidrogénio.

O principal obstáculo à utilização do hidrogénio como fonte de energia é a dificuldade de armazená-lo. Nos ainda raros carros movidos a hidrogênio, ele é armazenado comprimido a uma pressão de cerca de 700 atmosferas. Este não é o método mais barato nem o mais seguro e tem pouco a ver com eficiência:existem apenas 45 kg de hidrogénio num metro cúbico. O mesmo volume pode conter 70 kg de hidrogênio, se for previamente condensado.

Infelizmente, o processo de liquefação requer grandes quantidades de energia, e a temperatura extremamente baixa, em torno de 20 Kelvin, deve então ser mantida durante todo o armazenamento. Uma alternativa poderia ser materiais adequados; por exemplo, hidreto de magnésio, que pode conter até 106 kg de hidrogênio em um metro cúbico.

O hidreto de magnésio está entre os materiais mais simples testados quanto à capacidade de armazenamento de hidrogênio. Seu conteúdo pode chegar a 7,6% (em peso). Os dispositivos de hidreto de magnésio são, portanto, bastante pesados ​​e, portanto, adequados principalmente para aplicações estacionárias. Porém, é importante ressaltar que o hidreto de magnésio é uma substância muito segura e pode ser armazenada sem riscos; por exemplo, em um porão, e o próprio magnésio é um metal barato e facilmente disponível.

“A pesquisa sobre a incorporação de hidrogênio ao magnésio vem acontecendo há décadas, mas não resultou em soluções que possam contar com uma utilização mais ampla”, diz o Prof. Zbigniew Lodziana (IFJ PAN), um físico teórico que é co-autor de um artigo em Ciência Avançada, onde a última descoberta é apresentada.

"Uma fonte de problemas é o próprio hidrogênio. Este elemento pode penetrar efetivamente na estrutura cristalina do magnésio, mas apenas quando está presente na forma de átomos únicos. Para obtê-lo a partir do hidrogênio molecular típico, um catalisador eficiente o suficiente para tornar o processo de É necessária uma migração de hidrogênio no material rápida e energeticamente viável. Portanto, todos têm procurado um catalisador que atenda às condições acima, infelizmente sem muito sucesso. Hoje, finalmente sabemos por que essas tentativas estavam fadadas ao fracasso.

O professor Lodziana desenvolveu um novo modelo dos processos termodinâmicos e eletrônicos que ocorrem no magnésio em contato com átomos de hidrogênio. O modelo prevê que durante a migração de átomos de hidrogênio, aglomerados locais de hidreto de magnésio termodinamicamente estáveis ​​são formados no material. Nas fronteiras entre o magnésio metálico e o seu hidreto ocorrem então alterações na estrutura eletrónica do material, e são estas que têm um papel significativo na redução da mobilidade dos iões de hidrogénio.

Em outras palavras, a cinética de formação do hidreto de magnésio é determinada principalmente por fenômenos na sua interface com o magnésio. Este efeito até agora não tinha sido levado em consideração na busca de catalisadores eficientes.

O trabalho teórico da Prof. Lodziana complementa experimentos realizados no laboratório suíço em Dübendorf. Aqui, a migração do hidrogênio atômico em uma camada de magnésio puro pulverizado sobre paládio foi estudada em uma câmara de ultra-alto vácuo. O aparelho de medição foi capaz de registrar mudanças no estado de diversas camadas atômicas externas da amostra em estudo, causadas pela formação de um novo composto químico e pelas transformações associadas na estrutura eletrônica do material. O modelo proposto pelos investigadores do IFJ PAN permite-nos compreender plenamente os resultados experimentais.

As conquistas do grupo de físicos suíço-poloneses não apenas abrem caminho para uma nova busca por um catalisador ideal para o hidreto de magnésio, mas também explicam por que alguns dos catalisadores encontrados anteriormente mostraram maior eficiência do que o esperado.

"Há muitos indícios de que a falta de progresso significativo no armazenamento de hidrogénio no magnésio e nos seus compostos se deveu simplesmente à nossa compreensão incompleta dos processos envolvidos no transporte de hidrogénio nestes materiais. Durante décadas, todos nós temos procurado melhores catalisadores, só que não para onde deveríamos olhar. Agora, novos resultados teóricos e experimentais tornam possível pensar novamente com otimismo sobre novas melhorias nos métodos de introdução de hidrogênio no magnésio", conclui o Prof. Lodziana.

Mais informações: Selim Kazaz et al, Por que os catalisadores de dissociação de hidrogênio não funcionam para a hidrogenação de magnésio, Ciência Avançada (2023). DOI:10.1002/advs.202304603
Informações do diário: Ciência Avançada

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