Uma reação eletroquímica que separa as moléculas de águapara produzir oxigaªnio estãono centro de várias abordagens com o objetivo de produzir combusta­veis alternativos para transporte. Mas essa reação precisa ser facilitada por um material catalisador, e as versaµes atuais exigem o uso de elementos raros e caros, como o ira­dio, limitando o potencial de produção desse combusta­vel.

Agora, pesquisadores do MIT e de outros lugares desenvolveram um tipo inteiramente novo de material catalisador, chamado de estrutura orga¢nica de hidra³xido de metal (MHOF), que éfeita de componentes baratos e abundantes. A familia de materiais permite que os engenheiros ajustem com precisão a estrutura e a composição do catalisador a s necessidades de um processo qua­mico especa­fico, podendo, então, igualar ou exceder o desempenho dos catalisadores convencionais e mais caros.

As descobertas são descritas nesta sexta-feira (25) na revista Nature Materials , em um artigo do pa³s-doutorado do MIT Shuai Yuan, do estudante de pós-graduação Jiayu Peng, do professor Yang Shao-Horn, do professor Yuriy Roma¡n-Leshkov e outros nove.

As reações de evolução do oxigaªnio são uma das reações comuns a  produção eletroquímica de combusta­veis, produtos químicos e materiais. Esses processos incluem a geração de hidrogaªnio como subproduto da evolução do oxigaªnio, que pode ser usado diretamente como combusta­vel ou sofrer reações químicas para produzir outros combusta­veis de transporte; a fabricação de ama´nia, para uso como fertilizante ou matéria-prima química; e redução de dia³xido de carbono para controlar as emissaµes.

Mas sem ajuda, "essas reações são lentas", diz Shao-Horn. "Para uma reação com cinanãtica lenta, vocêtem que sacrificar a voltagem ou energia para promover a taxa de reação." Por causa da entrada de energia extra necessa¡ria, "a eficiência geral ébaixa. a‰ por isso que as pessoas usam catalisadores", diz ela, pois esses materiais promovem reações naturalmente diminuindo a entrada de energia.

Mas atéagora, esses catalisadores "estãotodos contando com materiais caros ou metais de transição tardios que são muito escassos, por exemplo, a³xido de ira­dio, e tem havido um grande esfora§o na comunidade para encontrar alternativas baseadas em materiais abundantes na Terra que tenham o mesmo desempenho em termos de atividade e estabilidade", diz Roma¡n-Leshkov. A equipe diz ter encontrado materiais que fornecem exatamente essa combinação de caracterí­sticas.

Outras equipes exploraram o uso de hidra³xidos meta¡licos, como hidra³xidos de na­quel-ferro, diz Roma¡n-Leshkov. Mas esses materiais tem sido difa­ceis de adaptar aos requisitos de aplicações especa­ficas. Agora, poranãm, "a razãopela qual nosso trabalho ébastante empolgante e bastante relevante éque encontramos uma maneira de adaptar as propriedades nanoestruturando esses hidra³xidos meta¡licos de uma maneira única".

A equipe emprestou pesquisas que foram feitas em uma classe relacionada de compostos conhecidos como estruturas metal-orga¢nicas (MOFs), que são um tipo de estrutura cristalina feita de nosde a³xido meta¡lico ligados a moléculas orga¢nicas de ligação. Ao substituir o a³xido meta¡lico em tais materiais por certos hidra³xidos meta¡licos, a equipe descobriu, tornou-se possí­vel criar materiais ajusta¡veis ​​com precisão que também tinham a estabilidade necessa¡ria para serem potencialmente aºteis como catalisadores.

"Vocaª coloca essas cadeias desses ligantes orga¢nicos um ao lado do outro, e elas realmente direcionam a formação de folhas de hidra³xido de metal que são interconectadas com esses ligantes orga¢nicos, que são empilhados e tem maior estabilidade", diz Roma¡n-Leshkov. Isso tem vários benefa­cios, diz ele, ao permitir um controle preciso sobre a padronização nanoestruturada, permitindo o controle preciso das propriedades eletra´nicas do metal , e também proporcionando maior estabilidade, permitindo que resistam a longos períodos de uso.

Ao testar esses materiais, os pesquisadores descobriram que o desempenho dos catalisadores era "surpreendente", diz Shao-Horn. "a‰ compara¡vel ao dos materiais de a³xido de última geração que catalisam a reação de evolução do oxigaªnio."

Sendo compostos em grande parte por na­quel e ferro, esses materiais devem ser pelo menos 100 vezes mais baratos que os catalisadores existentes, dizem eles, embora a equipe ainda não tenha feito uma análise econa´mica completa.

Essa familia de materiais “realmente oferece um novo espaço para ajustar os locais ativos para catalisar a divisão da águapara produzir hidrogaªnio com entrada de energia reduzida”, diz Shao-Horn, para atender a s necessidades exatas de qualquer processo qua­mico em que esses catalisadores sejam necessa¡rios.

Os materiais podem fornecer "cinco vezes maior afinação" do que os catalisadores a  base de na­quel existentes, diz Peng, simplesmente substituindo diferentes metais no lugar do na­quel no composto. “Isso potencialmente ofereceria muitos caminhos relevantes para futuras descobertas”. Os materiais também podem ser produzidos em folhas extremamente finas, que podem então ser revestidas em outro material, reduzindo ainda mais os custos de material desses sistemas.

Atéagora, os materiais foram testados em dispositivos de teste de laboratório de pequena escala, e a equipe agora estãoabordando as questões de tentar expandir o processo para escalas comercialmente relevantes, o que ainda pode levar alguns anos. Mas a ideia tem um grande potencial, diz Shao-Horn, para ajudar a catalisar a produção de combusta­vel de hidrogaªnio limpo e livre de emissaµes, para que "podemos reduzir o custo do hidrogaªnio desse processo sem sermos limitados pela disponibilidade de metais preciosos". . Isso éimportante, porque precisamos de tecnologias de produção de hidrogaªnio que possam ser dimensionadas."