Recentemente, a Índia lançou a primeira fábrica do mundo de produção de hidrogênio usando energia nuclear no Centro de Pesquisa Atômica Indira Gandhi em Kalpakkam, Tamil Nadu. Diferentemente de outras instalações que dependem de eletricidade, o novo complexo utiliza o calor gerado pelo reator nuclear para produzir hidrogênio. O hidrogênio é um combustível com combustão limpa, capaz de substituir os combustíveis fósseis. Ele possui alta densidade de energia, quase três vezes maior que a da gasolina, e emite apenas vapor de água.
No entanto, o hidrogênio não é encontrado livremente na natureza e deve ser extraído de fontes como a água. Cientistas em todo o mundo procuram maneiras eficientes de quebrar a molécula de água e extrair hidrogênio.
Como parte de um avanço, pesquisadores do Instituto de Tecnologia Indiano (IIT) Bombaim criaram um catalisador altamente eficiente e de baixo custo que pode melhorar significativamente a produção de hidrogênio verde. A equipe desenvolveu um novo material que combina cobalto, níquel, fosfato e grafite, que produz eficientemente hidrogênio e oxigênio a partir da água.
Um dos métodos mais simples para quebrar a molécula de água é a eletrólise, na qual uma corrente elétrica é passada pela água para separá-la em hidrogênio e oxigênio. Este processo inicia duas reações: a reação de evolução de hidrogênio (HER) no cátodo, que gera hidrogênio gasoso, e a reação de evolução de oxigênio (OER) no ânodo, que produz oxigênio gasoso. No entanto, este processo enfrenta barreiras cinéticas significativas, exigindo muita energia para começar a funcionar. Essas barreiras podem ser reduzidas com a ajuda de catalisadores que aceleram as reações sem serem consumidos.
Atualmente, o padrão ouro para essas reações são metais preciosos, como platina, rutenio e irídio. Embora sejam muito eficazes, esses metais nobres são escassos, extremamente caros e propensos à degradação ao longo do tempo em condições operacionais rigorosas.
Dr. Savi Chaudhary, pesquisador do IIT Bombaim e primeiro autor do estudo, explica: «A principal motivação foi desenvolver um catalisador eficaz e durável a partir de elementos comuns para a decomposição geral da água».
Para criar o novo catalisador, os pesquisadores aplicaram o método de engenharia de precursores moleculares — uma técnica que envolve o projeto de moléculas e compostos metálicos altamente específicos que servem como blocos de construção ou precursores para materiais mais complexos. Segundo Dr. Chaudhary, «a abordagem de precursor molecular tem a vantagem de permitir o controle preciso da composição e homogeneidade do material obtido, ao mesmo tempo que garante sua conversão em catalisador ativo em condições relativamente suaves».
Primeiro, foram criados complexos metálicos separados de fosfatos de cobalto e níquel. Em seguida, esses complexos foram misturados com camadas atômicas finas de carbono, chamadas grafite exfoliado, e aquecidos cuidadosamente. Quando o calor desintegrou as partes de carbono dos complexos metálicos, restou uma camada amorfa perfeitamente misturada de fosfato de cobalto-níquel, uniformemente distribuída sobre folhas de grafeno condutoras. O resultado final foi um catalisador bifuncional que executa ambas as metades da reação de decomposição da água simultaneamente.
Professor Ramasamy Murugavel, professor do IIT Bombaim e autor correspondente do estudo, observa: «A combinação de cobalto e níquel fornece atividade bifuncional tanto para HER quanto para OER, enquanto o substrato condutor de grafeno aumenta o transporte de carga e promove o uso eficiente do material ativo».
A natureza amorfa deste material significa que seus átomos estão dispostos de forma caótica, e não ordenada, como em um cristal. Isso também aumenta seu desempenho, pois sua estrutura desordenada cria uma grande área de superfície que serve como locais ideais para fixar tanto a HER quanto a OER.
Dr. Chaudhary comenta: «Esperávamos inicialmente que os complexos formassem materiais fosfatados cristalinos. Em vez disso, formou-se uma fase amorfa de fosfato de Co-Ni com excelente homogeneidade. É interessante que a combinação de fosfato metálico amorfo misturado e grafite exfoliado levou a um aumento significativo da atividade eletrocatalítica».
Durante os testes, o novo catalisador funcionou continuamente por 72 horas com praticamente nenhuma perda de desempenho. No entanto, os pesquisadores notaram que a superfície do catalisador sofreu uma transformação estrutural durante a reação de produção de oxigênio, perdendo parte do fosfato para formar novos compostos metálicos contendo oxigênio. Mas, em vez de degradar o catalisador, essa reconstrução superficial acabou ajudando a manter sua alta atividade.
Professor Murugavel afirma: «A reconstrução superficial revelou uma característica importante dos catalisadores à base de fosfato: sob condições catalíticas, a superfície se reconstrói em espécies oxihidróxidas mais ativas, enquanto a estrutura fosfatada subjacente ajuda a manter a estabilidade química e a integridade estrutural».
O desenvolvimento deste catalisador confiável e acessível pode ajudar a garantir um futuro energético sustentável. Ao abandonar a dependência de metais preciosos caros e provar que materiais baratos e altamente ativos podem ser projetados em laboratório, esta pesquisa aproxima o mundo da produção de combustível de hidrogênio barato e zero emissões para alimentar nossos lares, veículos e indústrias. Mais importante ainda, a equipe acredita que o processo usado para fabricar os catalisadores pode representar um avanço importante na produção de materiais mais precisos.
Dr. Chaudhary conclui: «Acreditamos que a mensagem mais importante deste trabalho é que a engenharia de precursores moleculares oferece um caminho poderoso e versátil para o desenvolvimento de eletrocatalisadores avançados».