A produção em massa de hidrogaªnio a partir da águade forma eficiente estãomais perto de se tornar uma realidade graças aos pesquisadores da Faculdade de Engenharia da Universidade Estadual do Oregon e colaboradores da Universidade Cornell e do Laborata³rio Nacional Argonne.

Os cientistas usaram ferramentas experimentais avana§adas para criar uma compreensão mais clara de um processo catala­tico eletroqua­mico mais limpo e sustenta¡vel do que o hidrogaªnio derivado do gás natural.

Os resultados foram publicados hoje na Science Advances .

O hidrogaªnio éencontrado em uma ampla gama de compostos na Terra, mais comumente se combinando com o oxigaªnio para fazer a¡gua, e tem muitos papanãis cienta­ficos, industriais e relacionados a  energia. Tambanãm ocorre na forma de hidrocarbonetos, compostos que consistem em hidrogaªnio e carbono, como o metano, o principal componente do gás natural.

"A produção de hidrogaªnio éimportante para muitos aspectos de nossa vida, como células de combusta­vel para carros e a fabricação de muitos produtos químicos aºteis, como a ama´nia", disse Zhenxing Feng, do Oregon State, professor de engenharia química que liderou o estudo. "Tambanãm éusado no refino de metais, para a produção de materiais sintanãticos, como pla¡sticos e para uma sanãrie de outros fins."

De acordo com o Departamento de Energia, os Estados Unidos produzem a maior parte de seu hidrogaªnio a partir de uma fonte de metano, como o gás natural, por meio de uma técnica conhecida como reforma de vapor-metano. O processo envolve submeter o metano a vapor pressurizado na presença de um catalisador, criando uma reação que produz hidrogaªnio e mona³xido de carbono , bem como uma pequena quantidade de dia³xido de carbono.

A próxima etapa éconhecida como a reação de deslocamento a¡gua-gás, na qual o mona³xido de carbono e o vapor são reagidos por meio de um catalisador diferente, formando dia³xido de carbono e hidrogaªnio adicional. Na última etapa, a adsorção por oscilação de pressão, o dia³xido de carbono e outras impurezas são removidos, deixando para trás o hidrogaªnio puro.

"Em comparação com a reforma do gás natural , o uso de eletricidade de fontes renova¡veis ​​para dividir a águapara o hidrogaªnio émais limpo e sustenta¡vel", disse Feng. "No entanto, a eficiência da separação da águaébaixa, principalmente devido ao alto sobrepotencial - a diferença entre o potencial real e o potencial tea³rico de uma reação eletroquímica - de uma meia-reação chave no processo, a reação de evolução de oxigaªnio ou REA . "

Uma meia-reação éuma das duas partes de um redox, ou redução-oxidação, reação em que os elanãtrons são transferidos entre dois reagentes; redução se refere ao ganho de elanãtrons, a oxidação significa perda de elanãtrons.

O conceito de semi-reações éfreqa¼entemente usado para descrever o que acontece em uma canãlula eletroquímica, e semi-reações são comumente usadas como uma forma de equilibrar as reações redox. O superpotencial éa margem entre a voltagem tea³rica e a voltagem real necessa¡ria para causar a eletra³lise - uma reação química impulsionada pela aplicação de corrente elanãtrica.

"Os eletrocatalisadores são essenciais para promover a reação de divisão da a¡gua, reduzindo o excesso de potencial, mas o desenvolvimento de eletrocatalisadores de alto desempenho estãolonge de ser simples", disse Feng. "Um dos maiores obsta¡culos éa falta de informações sobre a estrutura em evolução dos eletrocatalisadores durante as operações eletroquímicas. Compreender a evolução estrutural e química do eletrocatalisador durante o OER éessencial para desenvolver materiais eletrocatalisadores de alta qualidade e, por sua vez, energia sustentabilidade. "

Feng e colaboradores usaram um conjunto de ferramentas de caracterização avana§adas para estudar a evolução estrutural atômica de um eletrocatalisador OER de última geração, iridato de estra´ncio (SrIrO 3 ), em eletra³lito a¡cido.

"Quera­amos entender a origem de sua atividade recorde para o OER - 1.000 vezes maior do que o catalisador comercial comum, o a³xido de ira­dio", disse Feng. "Usando instalações de raios-X baseadas em sa­ncrotron em Argonne e espectroscopia de fotoelanãtrons de raios-X baseada em laboratório no site da Northwest Nanotechnology Infrastructure em OSU, observamos a transformação química desuperfÍcie e cristalino em amorfo de SrIrO 3 durante o OER."

As observações levaram a uma compreensão profunda do que estava acontecendo por trás da capacidade do iridato de estra´ncio de funcionar tão bem como catalisador.

"Nossa descoberta detalhada em escala atômica explica como a camada ativa de iridato de estra´ncio se forma no iridato de estra´ncio e aponta para o papel crítico da ativação do oxigaªnio da rede e da difusão ia´nica acoplada na formação das unidades OER ativas", disse ele.

Feng acrescentou que o trabalho fornece uma visão sobre como o potencial aplicado facilita a formação das camadas amorfas funcionais na interface eletroquímica e leva a possibilidades para o projeto de melhores catalisadores.