O mesmo material é capaz produzir oxigênio ou hidrogênio sem alterar sua composição químicaatravés do controle preciso de sua arquitetura molecular. Esta é a essência da descoberta feita no final do ano por uma equipe liderada por Maria Jimenez-Lopez, pesquisadora do CiQUS ( … Singularity Research Center for Biological Chemistry and Molecular Materials), e abre um caminho promissor para tornar mais barata e mais sustentável uma tecnologia chave de transição energética: a eletrólise da água.
Tradicionalmente, a produção de hidrogénio e oxigénio em condições ácidas – o ambiente mais eficiente para eletrolisadores – depende de catalisadores de metais preciosos, como platina ou irídio. Estes são materiais extremamente eficazes, mas também são raros, caros e concentrados geograficamente, limitando a sua disponibilidade e aumentando o custo das tecnologias que os tornam possíveis. O trabalho de Jimenez-Lopez desafia esta realidade: não é necessário alterar os elementos químicos para alterar a função catalítica. Basta reorganizá-los.
“O incrível é que é o mesmo material e nós fazemos isso sem alterar seus elementos constituintes“, disse o pesquisador à ABC. Em vez de introduzir novos metais ou alterar a composição, sua equipe mostrou que o comportamento do catalisador que desenvolveram poderia ser “programado” e a montagem de seus componentes poderia ser controlada em nível molecular. Uma ideia com amplas implicações em um campo onde durante décadas a produtividade dependeu quase exclusivamente do tipo de metal utilizado.
O novo material combina um aglomerado nanométrico de óxido de vanádio, um elemento comum, com nanotubos de carbono. A este sistema são adicionados alguns grupos orgânicos que, dependendo da sua localização, atuam como reguladores da reação. “Um interruptor não é físico, não é algo que liga ou desliga”, explica Jimenez-Lopez. “É uma mudança na forma como os elementos do material são organizados.”
Quando o composto é armazenado em uma estrutura cristalina e simplesmente misturado com nanotubos de carbono, esses grupos orgânicos permanecem bloqueados, “como se estivessem adormecidos”. Neste “modo”, o sistema favorece a reação de evolução do oxigênio, um processo complexo do ponto de vista eletroquímico. Por outro lado, quando o material se monta direcionalmente em nanotubos, algumas interações cristalinas são interrompidas e os mesmos grupos orgânicos são expostos. Eles então entram em ação como “esponjas de prótons”, prendendo-os na superfície e promovendo a produção de hidrogênio.
O aglomerado de vanádio atua como um reservatório de elétrons estável em ambos os casos; A diferença não está no núcleo metálico, mas no “microambiente” que o rodeia. “Temos todos os mesmos elementos no material”, resume a pesquisadora, “mas dependendo de como você os introduz na sua “receita”, Eles podem ser escondidos ou liberados“, alterando o resultado.
O material atinge um desempenho de produção de oxigênio comparável aos catalisadores comerciais à base de irídio operando em condições semelhantes. E quando o hidrogênio é formado, o potencial necessário para iniciar a reação é próximo ao potencial da platina, o padrão de referência. É isso, com Demonstração de estabilidade por pelo menos 24 horas. trabalho contínuo.
A capacidade de substituir materiais críticos por elementos abundantes promete melhorar o acesso a estas tecnologias. Isto não significa que os metais preciosos desaparecerão imediatamente dos eletrolisadores, explica Jimenez-Lopez, mas abre a porta para a redução da sua utilização. “O principal aqui é reduzir custos”, enfatiza. “Isso é vital porque, caso contrário, só pioraremos a situação.”
O trabalho é resultado de anos de pesquisa e faz parte de um projeto financiado pelo Conselho Europeu de Pesquisa (ERC) em um dos projetos científicos mais polêmicos. A partir daí, o grupo abriu rumos voltados à portabilidade e aplicação em dispositivos reais. Ele até desenvolveu e patenteou equipamentos especiais para medir a produção de gás in situ e garantir o desempenho do catalisador em condições reais.
Mudança de Paradigma
Além do material específico, o valor do estudo também está na mudança de abordagem que propõe. Em vez de desenvolver um catalisador para uma única reação, a ideia é transição para eletrodos “universais”capaz de se adaptar a diferentes funções dependendo de sua montagem. “Começando com os mesmos elementos, seria possível produzir eletrodos para gerar hidrogênio ou oxigênio simplesmente mudando a forma de misturá-los”, explica o pesquisador. Esta versatilidade permitirá aproveitar ao máximo o mesmo investimento industrial e facilitar a integração destes sistemas em centrais complexas.
O horizonte emergente é criar materiais multifuncionais e programáveis que possam responder a diferentes necessidades energéticas: produzir hidrogénio quando há excedente renovável, armazená-lo ou mesmo reutilizá-lo noutros processos. “O que importa aqui é como você brinca com o microambiente”, insiste Jimenez-Lopez: “Você não muda a composição, você muda a funcionalidade.“
No meio de uma corrida global para a produção de hidrogénio verde, os progressos alcançados por uma equipa de investigadores galegos mostram que pequenas mudanças na arquitetura molecular podem abrir grandes portas. Neste caso com a mesma chave.
