Nova célula de combustível de baixa temperatura pode transformar a energia do hidrogênio
À medida que a procura global de energia continua a aumentar, investigadores, líderes industriais, governos e outras partes interessadas estão a trabalhar em conjunto para explorar novas formas de produzir energia. Este esforço tornou-se ainda mais urgente à medida que o mundo enfrenta a crise climática e procura alternativas aos combustíveis fósseis.
Uma tecnologia que atrai atenção significativa é a célula a combustível de óxido sólido, ou SOFC. Ao contrário das baterias, que libertam energia química armazenada, estas células de combustível convertem combustíveis químicos diretamente em eletricidade e continuam a gerar energia enquanto o combustível estiver disponível. Muitas pessoas já estão familiarizadas com as células a combustível de hidrogênio, que utilizam gás hidrogênio para produzir eletricidade e água.
Por que as altas temperaturas operacionais são um grande desafio
Embora os SOFCs sejam conhecidos por sua alta eficiência e longa vida operacional, eles têm uma séria limitação: eles precisam de temperaturas extremamente altas, em torno de 700-800°C, para funcionar corretamente. Alcançar e manter essas temperaturas requer materiais especializados que possam suportar calor intenso, o que torna os sistemas caros.
Pesquisadores da Universidade de Kyushu, reportando na Nature Materials, dizem agora que desenvolveram uma SOFC que funciona eficientemente a apenas 300°C. De acordo com a equipe, esse avanço poderia reduzir bastante os custos, apoiar a criação de SOFCs de baixa temperatura e acelerar seu uso no mundo real.
O papel fundamental dos eletrólitos no desempenho das células de combustível
No centro de cada SOFC está um componente chamado eletrólito, uma camada de cerâmica que move partículas carregadas entre os eletrodos da célula de combustível. Nas células a combustível de hidrogênio, essa camada carrega íons de hidrogênio (também conhecidos como prótons), permitindo que a célula gere eletricidade. No entanto, o eletrólito normalmente precisa de temperaturas extremamente altas para manter esses prótons se movendo rápido o suficiente para uma operação eficiente.
“Reduzir a temperatura de trabalho para 300°C reduziria os custos de materiais e abriria a porta para sistemas de nível de consumidor”, diz o professor Yoshihiro Yamazaki, da Plataforma de Pesquisa Energética Inter/Transdisciplinar da Universidade de Kyushu, que dirigiu o estudo. “No entanto, nenhuma cerâmica conhecida poderia transportar prótons suficientes com tanta rapidez em condições tão ‘quentes’. Então, decidimos quebrar esse gargalo.”
Resolvendo o problema do dopante em redes cristalinas
Os eletrólitos são construídos a partir de átomos dispostos em uma rede cristalina. Os prótons se movem pelas lacunas entre esses átomos. Os cientistas passaram anos testando vários materiais e dopantes químicos – substâncias que modificam as propriedades de um material – na esperança de aumentar a velocidade do movimento dos prótons através da rede.
“Mas isso também traz um desafio”, explica Yamazaki. “A adição de dopantes químicos pode aumentar o número de prótons móveis que passam através de um eletrólito, mas geralmente obstrui a rede cristalina, desacelerando os prótons. Procurámos cristais de óxido que pudessem hospedar muitos prótons e deixá-los se mover livremente – um equilíbrio que nosso novo estudo finalmente alcançou. “
Um avanço de 300°C usando BaSnO3 e BaTiO3 dopados com Sc
A equipe descobriu que dois óxidos, estanato de bário (BaSnO3) e titanato de bário (BaTiO3), quando dopado com altos níveis de escândio (Sc), atingiu a condutividade de prótons alvo de mais de 0,01 S/cm a 300°C. Esta condutividade é semelhante à que os eletrólitos SOFC atuais alcançam a 600-700°C.
“Análises estruturais e simulações de dinâmica molecular revelaram que os átomos de Sc ligam seus oxigênios circundantes para formar um ‘ScO6 rodovia’, ao longo da qual os prótons viajam com uma barreira de migração incomumente baixa. Esta via é ampla e vibra suavemente, o que evita a captura de prótons que normalmente afeta os óxidos fortemente dopados, “diz Yamazaki.” Dados de dinâmica de rede revelaram ainda que BaSnO3 e BaTiO3 são intrinsecamente ‘mais macios’ do que os materiais SOFC convencionais, permitindo-lhes absorver muito mais Sc do que se supunha anteriormente.”
Abrindo a porta para células de combustível de baixa temperatura acessíveis
Esses resultados anulam o compromisso de longa data entre adicionar mais dopantes e manter o movimento rápido de íons, fornecendo um caminho promissor para SOFCs acessíveis e de temperatura intermediária.
“Além das células de combustível, o mesmo princípio pode ser aplicado a outras tecnologias, como eletrólises de baixa temperatura, bombas de hidrogênio e reatores que convertem CO2 em produtos químicos valiosos, multiplicando assim o impacto da descarbonização. Nosso trabalho transforma um paradoxo científico de longa data em uma solução prática, aproximando a energia acessível do hidrogênio da vida cotidiana”, conclui Yamazaki.
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