p Pesquisadores do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford mostraram pela primeira vez que um catalisador barato pode dividir a água e gerar gás hidrogênio por horas a fio no ambiente hostil de um dispositivo comercial. p A tecnologia do eletrolisador, que é baseado em uma membrana de eletrólito de polímero (PEM), tem potencial para produção de hidrogênio em grande escala movida a energia renovável, mas foi retido em parte pelo alto custo dos catalisadores de metais preciosos, como platina e irídio, necessário para aumentar a eficiência das reações químicas.

p Este estudo aponta o caminho para uma solução mais barata, os pesquisadores relataram hoje em Nature Nanotechnology .

p "O gás hidrogênio é um produto químico industrial extremamente importante para a produção de combustível e fertilizantes, entre outras coisas, "disse Thomas Jaramillo, diretor do SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, que liderou a equipe de pesquisa. "Também é limpo, Molécula de alto conteúdo energético que pode ser usada em células de combustível ou para armazenar energia gerada por fontes de energia variáveis ​​como solar e eólica. Mas a maior parte do hidrogênio produzido hoje é feito com combustíveis fósseis, aumentando o nível de CO2 na atmosfera. Precisamos de uma maneira econômica de produzi-lo com energia limpa. "

p De metal caro a barato, materiais abundantes

p Ao longo dos anos, tem havido um extenso trabalho para desenvolver alternativas aos catalisadores de metais preciosos para sistemas PEM. Muitos demonstraram trabalhar em um ambiente de laboratório, mas Jaramillo disse que, até onde ele sabe, este é o primeiro a demonstrar alto desempenho em um eletrolisador comercial. O dispositivo foi fabricado por um site de pesquisa de eletrólise PEM e fábrica em Connecticut para Nel Hydrogen, o maior e mais antigo fabricante de equipamentos eletrolisadores do mundo.

p A eletrólise funciona como uma bateria ao contrário:em vez de gerar eletricidade, ele usa corrente elétrica para dividir a água em hidrogênio e oxigênio. As reações que geram gás hidrogênio e oxigênio ocorrem em diferentes eletrodos usando diferentes catalisadores de metais preciosos. Nesse caso, a equipe da Nel Hydrogen substituiu o catalisador de platina no lado gerador de hidrogênio por um catalisador que consiste em nanopartículas de fosfeto de cobalto depositadas no carbono para formar um pó preto fino, que foi produzido pelos pesquisadores do SLAC e Stanford. Como outros catalisadores, ele reúne outros produtos químicos e os encoraja a reagir.

p O catalisador de fosfeto de cobalto operou extremamente bem durante toda a duração do teste, mais de 1, 700 horas - uma indicação de que pode ser resistente o suficiente para o uso diário em reações que podem ocorrer em temperaturas elevadas, pressões e densidades de corrente e em condições extremamente ácidas por longos períodos de tempo, disse McKenzie Hubert, um estudante de pós-graduação do grupo de Jaramillo que liderou os experimentos com Laurie King, um engenheiro de pesquisa da SUNCAT que desde então ingressou no corpo docente da Manchester Metropolitan University.

p "Nosso grupo tem estudado este catalisador e materiais relacionados por um tempo, "Hubert disse, "e tiramos de uma escala de laboratório fundamental, estágio experimental por meio de testes em condições de operação industrial, onde você precisa cobrir uma área de superfície muito maior com o catalisador e ele tem que funcionar em condições muito mais desafiadoras. "

p Um dos elementos mais importantes do estudo foi aumentar a produção do catalisador de fosfeto de cobalto, mantendo-o muito uniforme - um processo que envolveu a síntese do material de partida na bancada do laboratório, moer com almofariz e pilão, baking in a furnace and finally turning the fine black powder into an ink that could be sprayed onto sheets of porous carbon paper. The resulting large-format electrodes were loaded into the electrolyzer for the hydrogen production tests.

p Producing hydrogen gas at scale

p While the electrolyzer development was funded by the Defense Department, which is interested in the oxygen-generating side of electrolysis for use in submarines, Jaramillo said the work also aligns with the goals of DOE's H2@Scale initiative, which brings DOE labs and industry together to advance the affordable production, transporte, storage and use of hydrogen for a number of applications, and the fundamental catalyst research was funded by the DOE Office of Science.

p Katherine Ayers, vice president for research and development at Nel and a co-author of the paper, disse, "Working with Tom gave us an opportunity to see whether these catalysts could be stable for a long time and gave us a chance to see how their performance compared to that of platinum.

p "The performance of the cobalt phosphide catalyst needs to get a little bit better, and its synthesis would need to be scaled up, " she said. "But I was quite surprised at how stable these materials were. Even though their efficiency in generating hydrogen was lower than platinum's, it was constant. A lot of things would degrade in that environment."

p While the platinum catalyst represents only about 8 percent of the total cost of manufacturing hydrogen with PEM, the fact that the market for the precious metal is so volatile, with prices swinging up and down, could hold back development of the technology, Ayers said. Reducing and stabilizing that cost will become increasingly important as other aspects of PEM electrolysis are improved to meet the increasing demand for hydrogen in fuel cells and other applications.