p O hidrogênio é uma fonte sustentável de energia limpa que evita emissões tóxicas e pode agregar valor a vários setores da economia, incluindo transporte, Geração de energia, fabricação de metais, entre outros. As tecnologias de armazenamento e transporte de hidrogênio preenchem a lacuna entre a produção de energia sustentável e o uso de combustível, e, portanto, são um componente essencial de uma economia viável de hidrogênio. Mas os meios tradicionais de armazenamento e transporte são caros e suscetíveis à contaminação. Como resultado, pesquisadores estão procurando por técnicas alternativas que sejam confiáveis, de baixo custo e simples. Sistemas de entrega de hidrogênio mais eficientes beneficiariam muitas aplicações, como energia estacionária, poder portátil, e indústrias de veículos móveis. p Agora, conforme relatado no jornal Proceedings of the National Academy of Sciences , pesquisadores projetaram e sintetizaram um material eficaz para acelerar uma das etapas limitantes na extração de hidrogênio de álcoois. O material, um catalisador, é feito de minúsculos aglomerados de níquel metálico ancorados em um substrato 2-D. A equipe liderada por pesquisadores da Fundição Molecular do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) descobriu que o catalisador pode acelerar de forma limpa e eficiente a reação que remove átomos de hidrogênio de um transportador químico líquido. O material é robusto e feito de metais abundantes em terra, em vez de opções existentes feitas de metais preciosos, e ajudará a tornar o hidrogênio uma fonte de energia viável para uma ampla gama de aplicações.

p "Apresentamos aqui não apenas um catalisador com maior atividade do que outros catalisadores de níquel que testamos, para um importante combustível de energia renovável, mas também uma estratégia mais ampla para o uso de metais acessíveis em uma ampla gama de reações, "disse Jeff Urban, o diretor da Instalação de Nanoestruturas Inorgânicas da Fundição Molecular que liderou o trabalho. A pesquisa faz parte do Consórcio de Pesquisa Avançada de Materiais de Hidrogênio (HyMARC), um consórcio financiado pelo Escritório de Eficiência Energética e Energias Renováveis ​​de Hidrogênio e Tecnologias de Célula de Combustível do Departamento de Energia dos EUA (EERE). Com este esforço, cinco laboratórios nacionais trabalham com o objetivo de abordar as lacunas científicas que bloqueiam o avanço dos materiais de armazenamento de hidrogênio sólido. Os resultados deste trabalho alimentarão diretamente a visão H2 @ Scale da EERE para a produção de hidrogênio acessível, armazenar, distribuição e utilização em vários setores da economia.

p Compostos químicos que agem como catalisadores como o desenvolvido por Urban e sua equipe são comumente usados ​​para aumentar a taxa de uma reação química sem que o próprio composto seja consumido - eles podem manter uma determinada molécula em uma posição estável, ou servir como um intermediário que permite que uma etapa importante seja concluída de forma confiável. Para a reação química que produz hidrogênio a partir de transportadores líquidos, os catalisadores mais eficazes são feitos de metais preciosos. Contudo, esses catalisadores estão associados a altos custos e baixa abundância, e são suscetíveis a contaminação. Outros catalisadores menos caros, feito de metais mais comuns, tendem a ser menos eficazes e menos estáveis, que limita sua atividade e sua implantação prática em indústrias de produção de hidrogênio.

p Para melhorar o desempenho e a estabilidade desses catalisadores à base de metal abundantes em terra, Urban e seus colegas modificaram uma estratégia que se concentra em minúsculos, aglomerados uniformes de níquel metálico. Aglomerados minúsculos são importantes porque maximizam a exposição da superfície reativa em uma determinada quantidade de material. Mas eles também tendem a se agrupar, que inibe sua reatividade.

p O assistente de pesquisa de pós-doutorado Zhuolei Zhang e o cientista do projeto Ji Su, na Molecular Foundry e co-autores principais do artigo, projetou e executou um experimento que combateu a aglomeração depositando aglomerados de níquel de 1,5 nanômetro de diâmetro em um substrato 2-D feito de boro e nitrogênio projetado para hospedar uma grade de ondulações em escala atômica. Os aglomerados de níquel ficaram uniformemente dispersos e firmemente ancorados nas covinhas. Este projeto não apenas evitou aglomeração, mas suas propriedades térmicas e químicas melhoraram muito o desempenho geral do catalisador, interagindo diretamente com os aglomerados de níquel.

p "O papel da superfície subjacente durante o estágio de formação e deposição do cluster foi considerado crítico, e pode fornecer pistas para a compreensão de seu papel em outros processos ", disse Urban.

p Medidas detalhadas de raios-X e espectroscopia, combinado com cálculos teóricos, revelou muito sobre as superfícies subjacentes e seu papel na catálise. Usando ferramentas na Fonte de Luz Avançada, uma instalação de usuário DOE no Berkeley Lab, e métodos de modelagem computacional, os pesquisadores identificaram mudanças nas propriedades físicas e químicas das folhas 2-D enquanto minúsculos aglomerados de níquel se formavam e se depositavam nelas. A equipe propôs que as formas materiais enquanto os aglomerados de metal ocupam regiões primitivas das folhas e interagem com as bordas próximas, preservando assim o pequeno tamanho dos clusters. O minúsculo, aglomerados estáveis ​​facilitam a ação nos processos através dos quais o hidrogênio é separado de seu transportador líquido, dotando o catalisador com excelente seletividade, produtividade, e desempenho estável.

p Cálculos mostraram que o tamanho do catalisador era o motivo de sua atividade estar entre as melhores em relação a outras que foram relatadas recentemente. David Prendergast, diretor da Unidade de Teoria de Materiais Nanoestruturados na Fundição Molecular, junto com a assistente de pesquisa de pós-doutorado e co-autora principal Ana Sanz-Matias, modelos usados ​​e métodos computacionais para descobrir a estrutura geométrica e eletrônica única dos minúsculos aglomerados de metal. Átomos de metal puro, abundante nesses minúsculos aglomerados, atraiu mais facilmente o transportador líquido do que as partículas maiores de metal. Esses átomos expostos também facilitaram as etapas da reação química que separa o hidrogênio do transportador, enquanto evita a formação de contaminantes que podem obstruir a superfície do cluster. Portanto, o material permaneceu livre de poluição durante as etapas principais da reação de produção de hidrogênio. Essas propriedades catalíticas e anticontaminação surgiram das imperfeições que foram deliberadamente introduzidas nas folhas 2-D e, por fim, ajudaram a manter o tamanho do cluster pequeno.

p "A contaminação pode tornar inviáveis ​​possíveis catalisadores de metais não preciosos. Nossa plataforma aqui abre uma nova porta para a engenharia desses sistemas, "disse Urban.

p Em seu catalisador, os pesquisadores alcançaram o objetivo de criar um relativamente barato, prontamente disponível, e um material estável que ajuda a retirar o hidrogênio de transportadores líquidos para uso como combustível. Este trabalho foi resultado de um esforço do DOE para desenvolver materiais de armazenamento de hidrogênio para atender às metas do Escritório de Tecnologias de Hidrogênio e Célula de Combustível da EERE e otimizar os materiais para uso futuro em veículos.

p O trabalho futuro da equipe do Berkeley Lab irá aprimorar ainda mais a estratégia de modificar substratos 2-D de maneiras que suportam pequenos aglomerados de metal, para desenvolver catalisadores ainda mais eficientes. The technique could help to optimize the process of extracting hydrogen from liquid chemical carriers.