Ilustração da abordagem multidisciplinar para a produção de hidrogênio por meio da oxidação do silício. A abordagem envolve a síntese de nanopartículas de silício, a reação de silício-água que gera hidrogênio sob demanda, e usando o hidrogênio em uma célula de combustível para energia portátil. Crédito:Folarin Erogbogbo, et al. © 2013 American Chemical Society
(Phys.org) —Embora os cientistas saibam que quando o silício se mistura com a água, o hidrogênio é produzido por oxidação, ninguém esperava com que rapidez as nanopartículas de silício executariam essa tarefa. Como um novo estudo revelou, Nanopartículas de silício de 10 nm podem gerar hidrogênio 150 vezes mais rápido do que nanopartículas de silício de 100 nm, e 1, 000 vezes mais rápido do que o silício em massa. A descoberta pode abrir caminho para tecnologias rápidas de geração de hidrogênio "basta adicionar água" para dispositivos portáteis sem a necessidade de luz, aquecer, ou eletricidade.
Os pesquisadores, Folarin Erogbogbo da Universidade de Buffalo e co-autores, publicaram seu artigo sobre o uso de nanossilício para gerar hidrogênio em uma edição recente da Nano Letras .
Se o hidrogênio for usado para fornecer energia para amplas aplicações comerciais, um dos requisitos é encontrar um maneira barata de produzir hidrogênio. Uma das técnicas de produção de hidrogênio mais comuns é dividir a água em hidrogênio e oxigênio. Existem várias maneiras de dividir a água, como com uma corrente elétrica (eletrólise), aquecer, luz solar, ou uma substância que reage quimicamente com a água. Essas substâncias incluem alumínio, zinco, e silício.
Como os cientistas explicaram, As reações de oxidação do silício-água têm sido lentas e não competitivas com outras técnicas de separação da água. Contudo, o silício tem alguns benefícios teóricos, como ser abundante, sendo fácil de transportar, e tendo uma alta densidade de energia. Avançar, após oxidação com água, o silício pode teoricamente liberar dois moles de hidrogênio por mol de silício, ou 14% de sua própria massa em hidrogênio.
Por estas razões, os cientistas decidiram dar uma olhada mais de perto no silício, especificamente nanopartículas de silício, que não foram estudados anteriormente para a geração de hidrogênio. Como as nanopartículas de silício têm uma área de superfície maior do que as partículas maiores ou o silício em massa, seria de se esperar que as nanopartículas pudessem gerar hidrogênio mais rapidamente do que os pedaços maiores de silício.
Mas as melhorias que os cientistas descobriram com as nanopartículas de silício superaram em muito as expectativas. A reação de partículas de silício de 10 nm com água produziu um total de 2,58 mol de hidrogênio por mol de silício (mesmo superando as expectativas teóricas), levando 5 segundos para produzir 1 mmol de hidrogênio. Em comparação, a reação com partículas de silício de 100 nm produziu um total de 1,25 mol de hidrogênio por mole de silício, levando 811 segundos para produzir cada mmol de hidrogênio. Para silício a granel, a produção total foi de apenas 1,03 mol de hidrogênio por mol de silício, levando 12,5 horas para produzir cada mmol de hidrogênio. Para uma comparação de taxas, o silício de 10 nm gerou hidrogênio 150 vezes mais rápido do que o silício de 100 nm e 1, 000 vezes mais rápido do que o silício em massa.
"Acredito que o maior significado deste trabalho é a demonstração de que o silício pode reagir com a água com rapidez suficiente para ser útil na geração de hidrogênio sob demanda, "co-autor Mark Swihart, Professor de Engenharia Química e Biológica da Universidade de Buffalo, contado Phys.org . "Este resultado foi inesperado e de potencial importância prática. Embora eu não acredite que a oxidação de nanopartículas de silício se tornará um método viável para a geração de hidrogênio em grande escala tão cedo, este processo pode ser bastante interessante para aplicações portáteis de pequena escala, onde a água está disponível. "
Uma comparação das taxas de geração de hidrogênio para diferentes formas de silício. As taxas máximas estão na coluna da esquerda com as imagens das amostras. As taxas médias estão na coluna da direita. A linha vermelha indica a taxa máxima relatada para hidrogênio gerado a partir do alumínio. Crédito:Folarin Erogbogbo, et al. © 2013 American Chemical Society
Além de produzir hidrogênio mais rápido do que peças maiores de silício, o silício de 10 nm também produz hidrogênio significativamente mais rápido do que as nanopartículas de alumínio e zinco. Como Swihart explicou, a explicação para essa desigualdade difere para os dois materiais.
"Comparado ao alumínio, o silício reage mais rápido porque o alumínio forma um óxido mais denso e robusto (Al 2 O 3 ) em sua superfície, que limita a reação, "disse ele." Na presença de uma base como KOH [hidróxido de potássio], o silício produz principalmente ácido silícico solúvel (Si (OH) 4 ) Comparado ao zinco, o silício é simplesmente mais reativo, especialmente à temperatura ambiente. "
Embora a maior área de superfície do silício de 10 nm em comparação com peças maiores de silício contribua para sua rápida taxa de produção de hidrogênio, a área de superfície por si só não pode explicar o enorme aumento da taxa que os cientistas observaram. A área de superfície do silício de 10 nm é 204 m 2 / g, cerca de 6 vezes maior do que a área de superfície do silício de 100 nm, que é 32 m 2 / g.
Para entender o que causa o aumento muito maior na taxa de produção de hidrogênio, os pesquisadores conduziram experimentos durante o processo de corrosão de silicone. Eles descobriram que, para as partículas de 10 nm, decapagem envolve a remoção de um número igual de planos de rede em cada direção (decapagem isotrópica). Em contraste, para partículas e micropartículas de 100 nm, números desiguais de planos de rede são removidos em cada direção (corrosão anisotrópica).
Os pesquisadores atribuem essa diferença de gravação às diferentes geometrias de cristais de diferentes tamanhos. Como resultado dessa diferença, as partículas maiores adotam formas não esféricas que expõem superfícies menos reativas em comparação com as partículas menores, que permanecem quase esféricos, expondo todas as facetas do cristal para reação. Partículas maiores também desenvolvem camadas mais espessas de subprodutos de silício oxidados, através dos quais a água deve se difundir. Ambos os fatores limitam a taxa de reação em partículas maiores.
Para confirmar que a reação de 10 nm de silício-água gera hidrogênio sem subprodutos que possam interferir nas aplicações, os pesquisadores usaram o hidrogênio gerado pelo silício para operar uma célula de combustível. A célula de combustível teve um desempenho muito bom, produzindo mais corrente e voltagem do que a quantidade teórica de hidrogênio puro, o que se deve ao fato de que as partículas de 10 nm geraram mais hidrogênio do que os 14% em peso teóricos.
Os pesquisadores esperam que esta surpreendente capacidade das nanopartículas de silício de dividir rapidamente a água e gerar hidrogênio possa levar ao desenvolvimento de uma tecnologia de hidrogênio sob demanda que possibilite o uso de células de combustível em dispositivos portáteis. Esta tecnologia exigiria uma grande escala, método de eficiência energética de produção de nanopartículas de silício, mas pode ter algumas vantagens em comparação com outras técnicas de geração de hidrogênio.
"A principal vantagem da oxidação do silício para a geração de hidrogênio é a sua simplicidade, "Swihart disse." Com esta abordagem, o hidrogênio é produzido rapidamente, à temperatura ambiente, e sem a necessidade de qualquer fonte de energia externa. A energia necessária para a geração de hidrogênio é efetivamente armazenada no silício. Toda a entrada de energia necessária para a produção do silício pode ser fornecida em um local central, e o silício pode então ser usado em aplicações portáteis.
"A principal desvantagem da oxidação do silício é sua relativa ineficiência. A entrada de energia necessária para criar as nanopartículas de silício é muito maior do que a energia disponível do hidrogênio que é finalmente produzido. Para aplicações em grande escala, isso seria um problema. Para aplicativos portáteis, não é. Por exemplo, o custo da eletricidade fornecida por uma bateria doméstica comum pode ser facilmente 10 a 100 vezes maior do que o custo da eletricidade de uma concessionária, mas as baterias ainda desempenham um papel importante em nossas vidas. "
No futuro, os pesquisadores planejam aumentar ainda mais a capacidade de geração de hidrogênio da oxidação do silício, experimentando diferentes misturas.
"Uma direção que estamos perseguindo atualmente é o uso de misturas de nanopartículas de silício com hidretos de metal, que também reage com a água para produzir hidrogênio, "Swihart disse." Compostos como hidreto de lítio e hidreto de sódio reagem com água para produzir a base (LiOH ou NaOH) que é necessária para catalisar a oxidação do silício. Contudo, eles podem reagir muito rápido com água (explosivamente) e não são estáveis no ar. Misturá-los com nanopartículas de silício ou revesti-los com nanopartículas de silício pode servir para temperar sua reatividade e aumentar a capacidade de geração de hidrogênio do sistema, substituindo a base adicionada (por exemplo, KOH no artigo publicado) com um material que também gera hidrogênio. "
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