Filmes em nanoescala lançam luz sobre uma barreira para um futuro de energia limpa
Os defensores da energia do hidrogénio dizem que esta poderia ajudar-nos a afastar-nos dos combustíveis fósseis, mas um ingrediente-chave na sua produção tende a falhar. Novas pesquisas de imagem poderiam ajudar a explicar o porquê e ajudar a prolongar a vida útil dos dispositivos necessários para tornar o hidrogênio verde. Crédito:Justin Cook Se não for controlada, a corrosão pode enferrujar carros e canos, destruir edifícios e pontes e corroer os nossos monumentos. A corrosão também pode danificar dispositivos que podem ser fundamentais para um futuro energético limpo. E agora, os pesquisadores da Duke University capturaram close-ups extremos desse processo em ação. "Ao estudar como e por que os dispositivos de energia renovável quebram ao longo do tempo, poderemos prolongar sua vida útil", disse o professor de química e autor sênior Ivan Moreno-Hernandez.
Em seu laboratório na Duke está uma versão em miniatura de um desses dispositivos. Chamado de eletrolisador, ele separa o hidrogênio da água, usando eletricidade para alimentar a reação.
Quando a electricidade para alimentar a electrólise provém de fontes renováveis, como a eólica ou a solar, o gás hidrogénio que produz é considerado uma fonte promissora de combustível limpo, porque não necessita de combustíveis fósseis para ser produzido e queima sem criar qualquer dióxido de carbono que aqueça o planeta. .
Vários países têm planos para aumentar a sua produção do chamado "hidrogénio verde" para ajudar a reduzir a sua dependência dos combustíveis fósseis, especialmente em indústrias como a siderúrgica e a de cimento.
Mas antes que o hidrogénio se possa tornar popular, é necessário ultrapassar alguns grandes obstáculos. Pode parecer pouco mais que uma mancha escura, mas este minúsculo cristal de dióxido de rutênio - mostrado aqui em processo de corrosão - pode ser uma das chaves para um futuro energético limpo:transforma água em hidrogénio. Usando técnicas de imagem em nanoescala, os pesquisadores da Duke estão tentando entender por que esses catalisadores se quebram e perdem atividade com o tempo. Crédito:Avery Vigil, química da Duke. Jornal da Sociedade Química Americana (2024). DOI:10.1021/jacs.3c13709 Parte do problema é que os eletrolisadores exigem catalisadores de metais raros para funcionar, e estes são propensos à corrosão. Eles não são os mesmos depois de um ano de operação do que eram no início.
Em um estudo publicado em 10 de abril no Journal of the American Chemical Society , Moreno-Hernandez e seu Ph.D. a estudante Avery Vigil usou uma técnica chamada microscopia eletrônica de transmissão de fase líquida para estudar as complexas reações químicas que ocorrem entre esses catalisadores e seu ambiente que os causam decadência.
Você deve se lembrar do ensino médio que, para produzir gás hidrogênio, um eletrolisador divide a água em suas moléculas constituintes de hidrogênio e oxigênio. Para o estudo atual, a equipe se concentrou em um catalisador chamado dióxido de rutênio, que acelera a metade da reação do oxigênio, já que esse é o gargalo do processo.
“Basicamente submetemos esses materiais a um teste de estresse”, disse Vigil.
Eles destruíram nanocristais de dióxido de rutênio com radiação de alta energia e depois observaram as mudanças provocadas pelo ambiente ácido dentro da célula.
Para tirar fotos desses objetos minúsculos, eles usaram um microscópio eletrônico de transmissão, que dispara um feixe de elétrons através de nanocristais suspensos dentro de uma bolsa superfina de líquido para criar imagens de lapso de tempo da química que ocorre a 10 quadros por segundo.
O resultado:close-ups dignos de desktop de cristais do tamanho de vírus, mais de mil vezes mais finos que um fio de cabelo humano, à medida que são oxidados e se dissolvem no líquido ácido ao seu redor.
"Na verdade, somos capazes de ver o processo de quebra desse catalisador com resolução em nanoescala", disse Moreno-Hernandez.
Ao longo de cinco minutos, os cristais quebraram rápido o suficiente para “inutilizar um dispositivo real em questão de horas”, disse Vigil.
Ampliando centenas de milhares de vezes, os vídeos revelam defeitos sutis nas formas 3D dos cristais que criam áreas de tensão, fazendo com que alguns se quebrem mais rapidamente do que outros.
Ao minimizar essas imperfeições, os pesquisadores dizem que um dia poderá ser possível projetar dispositivos de energia renovável que durem duas a três vezes mais do que atualmente.
“Portanto, em vez de permanecer estável por, digamos, dois anos, um eletrolisador poderia durar seis anos. Isso poderia ter um impacto enorme nas tecnologias renováveis”, disse Moreno-Hernandez.
