Catalisador duplo gera hidrogênio de um lado e oxigênio do outro

Redação do Site Inovação Tecnológica 

Microfotografia do material e visão lateral da estrutura do bicatalisador. [Imagem: Tour Group/Rice University]

Hidrogênio para células a combustível

Um novo catalisador baseado em grafeno tratado com um laser consegue quebrar as moléculas de água, liberando o hidrogênio de um lado e o oxigênio do outro.

O material de baixo custo pode se tornar um componente prático para a geração do hidrogênio para uso em células de combustível.

"O hidrogênio atualmente é produzido pela conversão de gás natural em uma mistura de dióxido de carbono e gás hidrogênio. Assim, para cada duas moléculas de hidrogênio, forma-se uma molécula de dióxido de carbono, tornando este processo tradicional um emissor de gases de efeito estufa.

"Mas se dividirmos a água em hidrogênio e oxigênio, usando um sistema catalítico e eletricidade gerada a partir de energia eólica ou solar, então o hidrogênio produzido é totalmente renovável. Uma vez usado em uma célula de combustível, ele volta como água sem nenhuma outra emissão. As células de combustível são frequentemente duas vezes mais eficientes do que os motores de combustão interna, economizando ainda mais energia," disse o professor James Tour, da Universidade Rice, nos EUA.

Grafeno tratado a laser

O catalisador é feito a partir de grafeno tratado a laser (LIG: laser-induced graphene). O LIG é produzido incidindo um laser sobre uma folha de poliimida, um plástico de baixo custo. Em vez de uma folha plana de átomos de carbono dispostos em uma estrutura hexagonal - o grafeno normal -, o LIG é uma espuma de folhas de grafeno com uma borda conectada ao substrato plástico e arestas quimicamente ativas expostas ao ar.

O material em si é inerte, então transformá-lo em um catalisador capaz de quebrar as moléculas de água envolve mais alguns passos.

Primeiro, o lado do plástico destinado a extrair o hidrogênio da água foi impregnado com partículas de platina, e só depois o laser foi usado para produzir o LIG - o material usa apenas um quarto da platina usada nos catalisadores comerciais. A seguir, o outro lado, para a evolução do oxigênio, foi primeiro transformado em LIG e depois enriquecido com níquel e ferro através de deposição eletroquímica.

Os dois lados apresentaram baixos potenciais de ativação (a tensão necessária para iniciar uma reação) e um desempenho forte por mais de 1.000 ciclos.

Catalisador sem platina

Como a platina é cara, a equipe fabricou uma versão do catalisador duplo usando cobalto e fósforo. Funcionou, mas com uma eficiência menor.

Quando montado com cobalto-fósforo para a evolução do hidrogênio e níquel-ferro para o oxigênio, o catalisador produziu uma densidade de corrente de 10 miliamperes por centímetro quadrado a 1,66 volt, mas a equipe afirma ser teoricamente possível chegar a 400 miliamperes por centímetro quadrado a 1,9 volt - a densidade de corrente é que governa a taxa da reação química que produz o hidrogênio e o oxigênio.

Bibliografia:

Efficient Water-Splitting Electrodes Based on Laser-Induced Graphene
Jibo Zhang, Chenhao Zhang, Junwei Sha, Huilong Fei, Yilun Li, James M. Tour
Applied Materials and Interfaces
Vol.: 9 (32), pp 26840-26847
DOI: 10.1021/acsami.7b06727