Cientistas italianos desenvolvem novo sistema para produzir hidrogênio verde de maneira barata e eficiente

Um esforço de pesquisa colaborativo entre o IIT e seu spin-off BeDimensional descobriu um método que utiliza partículas de rutênio em conjunto com um sistema de eletrólise movido a energia solar.

O que é necessário para produzir hidrogénio verde de forma mais eficiente e barata? Aparentemente, pequenas partículas de rutênio e um sistema movido a energia solar para eletrólise da água. Esta é a solução identificada por uma equipa conjunta que envolve o Istituto Italiano di Tecnologia (Instituto Italiano de Tecnologia, IIT) de Génova e a BeDimensional SpA (uma spin-off do IIT).

A tecnologia, desenvolvida no contexto das atividades do Joint-lab e publicada recentemente em duas revistas de alto fator de impacto (Comunicações da Natureza e a Jornal da Sociedade Química Americana) baseia-se numa nova família de eletrocatalisadores que poderá reduzir os custos da produção de hidrogénio verde à escala industrial.

O hidrogénio é considerado um vetor energético sustentável, uma alternativa aos combustíveis fósseis. Mas nem todo o hidrogénio é igual no que diz respeito ao impacto ambiental. Na verdade, a principal forma de produção de hidrogénio hoje em dia é através da reforma a vapor do metano, um processo baseado em combustível fóssil que liberta dióxido de carbono (CO₂) como subproduto.

O hidrogênio produzido por este processo é classificado como “cinza” (quando CO₂ é liberado na atmosfera) ou “azul” (quando CO₂ sofre captura e armazenamento geológico). Para reduzir significativamente as emissões a zero até 2050, estes processos devem ser substituídos por processos mais ambientalmente sustentáveis ​​que forneçam hidrogénio “verde” (ou seja, emissões líquidas zero). O custo do hidrogénio “verde” depende criticamente da eficiência energética da configuração (o electrolisador) que divide as moléculas de água em hidrogénio e oxigénio.

Inovações Tecnológicas na Produção de Hidrogênio

Os investigadores da equipa conjunta desta descoberta desenvolveram um novo método que garante maior eficiência do que os métodos actualmente conhecidos na conversão de energia eléctrica (o viés energético explorado para dividir as moléculas de água) na energia química armazenada nas moléculas de hidrogénio que são produzidas. . A equipe desenvolveu um conceito de catalisador e utilizou fontes de energia renováveis, como a energia elétrica produzida por um painel solar.

A nova solução foi identificada por uma equipe conjunta envolvendo o Istituto Italiano di Tecnologia (Instituto Italiano de Tecnologia, IIT) de Gênova e a BeDimensional SpA (uma spin-off do IIT). Na foto: Liberato Manna (IIT), Francesco Bonaccorso (BeDimensional), Yong Zuo (IIT), Sebastiano Bellani (BeDimensional), Marilena Zappia (BeDimensional), Michele Ferri (IIT). Crédito: IIT-Istituto Italiano de Tecnologia

“Em nosso estudo mostramos como é possível maximizar a eficiência de uma tecnologia robusta e bem desenvolvida, apesar de um investimento inicial um pouco maior do que seria necessário para um eletrolisador padrão. Isto porque estamos a utilizar um metal precioso como o ruténio”, comentaram Yong Zuo e Michele Ferri do Grupo de Nanoquímica do IIT em Génova.

Os pesquisadores usaram nanopartículas de rutênio, um metal nobre semelhante à platina em seu comportamento químico, mas muito mais barato. As nanopartículas de rutênio servem como fase ativa do cátodo do eletrolisador, levando a um aumento da eficiência do eletrolisador geral.

“Realizamos análises e testes eletroquímicos em condições industrialmente significativas que nos permitiram avaliar a atividade catalítica de nossos materiais. Além disso, simulações teóricas permitiram compreender o comportamento catalítico das nanopartículas de rutênio em nível molecular; em outras palavras, o mecanismo de divisão da água em suas superfícies”, explicaram Sebastiano Bellani e Marilena Zappia da BeDimensional, que estiveram envolvidos na descoberta. “Combinando os dados dos nossos experimentos com parâmetros adicionais do processo, realizamos uma análise técnico-econômica que demonstrou a competitividade desta tecnologia, quando comparada aos eletrolisadores de última geração.”

Custo-benefício da nova tecnologia

O rutênio é um metal precioso obtido em pequenas quantidades como subproduto da extração de platina (30 toneladas por ano, em comparação com a produção anual de 200 toneladas de platina), mas a um custo inferior (18,5 dólares por grama, em oposição a 30 dólares por platina). A nova tecnologia envolve o uso de apenas 40 mg de rutênio por quilowatt, em forte contraste com o uso extensivo de platina (até 1 grama por quilowatt) e irídio (entre 1 e 2,5 gramas por quilowatt, com o preço do irídio em torno de 150 dólares). por grama) que caracterizam os eletrolisadores de membrana de troca de prótons.

Ao utilizar o rutênio, os pesquisadores do IIT e da BeDimensional melhoraram a eficiência dos eletrolisadores alcalinos, tecnologia que vem sendo utilizada há décadas devido à sua robustez e durabilidade. Por exemplo, esta tecnologia estava a bordo da cápsula Apollo 11 que levou a humanidade à Lua em 1969. A nova família de cátodos à base de rutênio para eletrolisadores alcalinos que foi desenvolvida é muito eficiente e tem uma longa vida operacional, sendo portanto capaz de reduzir os custos de produção do hidrogénio verde.

“No futuro, pretendemos aplicar esta e outras tecnologias, como catalisadores nanoestruturados baseados em materiais bidimensionais sustentáveis, em eletrolisadores de maior escala alimentados por energia elétrica proveniente de fontes renováveis, incluindo eletricidade produzida por painéis fotovoltaicos”, concluíram os investigadores. .

Referência: “Nanoheteroestruturas Ru-Cu para reação eficiente de evolução de hidrogênio em eletrolisadores de água alcalina” por Yong Zuo, Sebastiano Bellani, Gabriele Saleh, Michele Ferri, Dipak V. Shinde, Marilena Isabella Zappia, Joka Buha, Rosaria Brescia, Mirko Prato, Roberta Pascazio , Abinaya Annamalai, Danilo Oliveira de Souza, Luca De Trizio, Ivan Infante, Francesco Bonaccorso e Liberato Manna, 25 de setembro de 2023, Jornal da Sociedade Química Americana.
DOI: 10.1021/jacs.3c06726

“Eletrolisadores de água alcalina de alto desempenho baseados em cátodo de nanoplacas de Cu perturbado com Ru” por Yong Zuo, Sebastiano Bellani, Michele Ferri, Gabriele Saleh, Dipak V. Shinde, Marilena Isabella Zappia, Rosaria Brescia, Mirko Prato, Luca De Trizio, Ivan Infante , Francesco Bonaccorso e Liberato Manna, 4 de agosto de 2023, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-023-40319-5