Encontrar melhores maneiras de obter combustível de hidrogênio da água

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Com estações de energia de hidrogênio na Califórnia, a novo carro de consumo japonês e Células a combustível de hidrogênio portáteis para a eletrônica, o hidrogênio como fonte de combustível de emissão zero está se tornando uma realidade para o consumidor médio. Quando combinado com oxigênio na presença de um catalisador, o hidrogênio libera energia e se liga ao oxigênio para formar água.

O duas principais dificuldades impedindo-nos de ter poder de hidrogênio tudo o que temos são armazenamento e produção. No momento, a produção de hidrogênio é intensiva em energia e cara. Normalmente, a produção industrial de hidrogênio requer altas temperaturas, grandes instalações e uma enorme quantidade de energia. Na verdade, geralmente vem de combustíveis fósseis como o gás natural - e, portanto, não é realmente uma fonte de combustível de emissão zero. Tornar o processo mais barato, eficiente e sustentável seria um grande passo para tornar o hidrogênio um combustível mais comumente usado.

Uma excelente - e abundante - fonte de hidrogênio é a água. Mas quimicamente, isso requer reverter a reação na qual o hidrogênio libera energia quando combinado com outros produtos químicos. Isso significa que temos que colocar energia em um composto, para tirar o hidrogênio. Maximizar a eficiência desse processo seria um progresso significativo em direção a um futuro de energia limpa.

Um método envolve a mistura de água com um produto químico útil, um catalisador, para reduzir a quantidade de energia necessária para romper as conexões entre os átomos de hidrogênio e oxigênio. Existem vários catalisadores promissores para geração de hidrogênio, incluindo sulfeto de molibdênio, grafeno e sulfato de cádmio. Minha pesquisa se concentra em modificar as propriedades moleculares do sulfeto de molibdênio para tornar a reação ainda mais eficaz e eficiente.

Fazendo hidrogênio

O hidrogênio é o elemento mais abundante no universo, mas raramente está disponível como hidrogênio puro. Em vez disso, combina-se com outros elementos para formar um grande número de produtos químicos e compostos, como solventes orgânicos como metanol e proteínas no corpo humano. Sua forma pura, H₂, pode ser usada como um combustível transportável e eficiente.

Tem várias maneiras de produzir hidrogênio para ser utilizável como combustível. A eletrólise usa eletricidade para dividir a água em hidrogênio e oxigênio. Reforma do metano a vapor começa com metano (quatro átomos de hidrogênio ligados a um átomo de carbono) e o aquece, separando o hidrogênio do carbono. Este método de uso intensivo de energia geralmente é como as indústrias produzem hidrogênio que é usado em coisas como a produção de amônia ou o refino de petróleo.

O método que estou focando é divisão de água fotocatalítica. Com a ajuda de um catalisador, a quantidade de energia necessária para “dividir” a água em hidrogênio e oxigênio pode ser fornecida por outro recurso abundante - a luz. Quando exposto à luz, uma mistura adequada de água e um catalisador produz oxigênio e hidrogênio. Isso é muito atraente para a indústria porque nos permite usar a água como fonte de hidrogênio em vez de combustíveis fósseis sujos.


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Compreender catalisadores

Assim como nem todas as duas pessoas iniciam uma conversa se estiverem no mesmo elevador, algumas interações químicas não ocorrem apenas porque os dois materiais são introduzidos. Moléculas de água podem ser divididas em hidrogênio e oxigênio com a adição de energia, mas a quantidade de energia necessária seria maior do que seria gerada como resultado da reação.

Às vezes é preciso uma terceira pessoa para fazer as coisas acontecerem. Em química, isso é chamado de catalisador. Quimicamente falando, um catalisador reduz a quantidade de energia necessária para dois compostos reagirem. Alguns catalisadores funcionam apenas quando expostos à luz. Estes compostos, como o dióxido de titânio, são chamados fotocatalisadores.

Com um fotocatalisador na mistura, a energia necessária para dividir a água cai significativamente, de modo que o esforço recebe um ganho de energia no final do processo. Podemos tornar a divisão ainda mais eficiente, adicionando outra substância, em um papel chamado co-catalisador. Co-catalisadores na geração de hidrogênio alteram a estrutura eletrônica da reação, tornando-a mais efetiva na produção de hidrogênio.

Até agora, não existem sistemas comercializados para produzir hidrogênio dessa maneira. Isto é em parte por causa do custo. Os melhores catalisadores e co-catalisadores que encontramos são eficientes em ajudar com a reação química, mas são muito caros. Por exemplo, a primeira combinação promissora, dióxido de titânio e platina, foi descoberta em 1972. A platina, no entanto, é um metal muito caro (bem mais de US $ 1,000 por onça). Mesmo rênio, outro catalisador útil, custa em torno de $ 70 a onça. Metais como estes são tão raros na crosta terrestre que isso os torna não é adequado para aplicações de grande escala embora existam processos sendo desenvolvidos para reciclar estes materiais.

Encontrando um novo catalisador

Existem muitos requisitos para um bom catalisador, como ser capaz de ser reciclado e ser capaz de suportar o calor e a pressão envolvidos na reação. Mas é tão crucial quanto o material é comum, porque os catalisadores mais abundantes são os mais baratos.

Um dos materiais mais recentes e promissores é o sulfeto de molibdênio, MoS₂. Porque é composto dos elementos molibdênio e enxofre - ambos relativamente comuns na Terra - é muito mais barato que os catalisadores mais tradicionais, bem abaixo de um dólar por onça. Também possui as propriedades eletrônicas corretas e outros atributos.

Antes do final 1990sPesquisadores descobriram que o sulfeto de molibdênio não era particularmente eficaz em transformar água em hidrogênio. Mas isso foi porque os pesquisadores estavam usando pedaços grossos do mineral, essencialmente a forma em que ele é extraído do solo. Hoje, no entanto, podemos usar processos como deposição de vapor químico or processos baseados em solução criar cristais muito finos de MoS₂ - até mesmo a espessura de uma única molécula - que são muito mais eficientes na extração de hidrogênio da água.

Tornando o processo ainda melhor

O sulfeto de molibdênio pode se tornar ainda mais eficaz ao manipular suas propriedades físicas e elétricas. Um processo conhecido como “mudança de fase” torna mais substância disponível para participar da reação de produção de hidrogênio.

Quando o sulfeto de molibdênio forma cristais, os átomos e moléculas do lado de fora da massa sólida são pronto para aceitar ou doar elétrons para a água quando excitado pela luz para dirigir a criação de hidrogênio. Normalmente, as moléculas de MoS₂ no interior da estrutura não doam ou aceitam elétrons de forma tão eficiente quanto os pontos de bordae assim não pode ajudar tanto com a reação.

Mas adicionando energia ao MoS₂ por bombardeando-o com elétronsou aumentando a pressão circundante, causa o que é chamado “mudança de fase" ocorrer. Esta mudança de fase não é o que você aprende na química básica (envolvendo uma substância tomando formas de gás, líquido ou sólido), mas sim uma ligeira mudança estrutural no arranjo molecular que muda o MoS₂ de um semicondutor para um metal.

Como resultado, as propriedades elétricas das moléculas no interior tornam-se disponíveis para a reação também. Isso faz com que a mesma quantidade de catalisador 600 vezes mais eficaz na reação de evolução do hidrogênio.

Se os métodos por trás desse tipo de inovação puderem ser aperfeiçoados, talvez estejamos um passo mais próximo para tornar a produção de hidrogênio mais barata e eficiente, o que, por sua vez, nos levará a um futuro alimentado por energia verdadeiramente limpa e renovável.

Sobre o autor

Peter Byrley, Ph.D. Candidato em Engenharia Química, Universidade da Califórnia, Riverside

Este artigo foi originalmente publicado em A Conversação. Leia o artigo original.

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