Descobertas “que mudam o jogo” para a produção sustentável de hidrogênio

O combustível de hidrogênio pode ser uma alternativa mais viável aos combustíveis fósseis tradicionais, de acordo com pesquisadores da Universidade de Surrey, que descobriram que um tipo de catalisador livre de metal pode contribuir para o desenvolvimento de tecnologias de produção de hidrogênio econômicas e sustentáveis

A dopagem de estruturas grafíticas e de nanocarbono com átomos não metálicos permite o ajuste de propriedades eletrônicas de superfície e a geração de novos sítios ativos, que podem então ser explorados para diversas aplicações catalíticas. Neste trabalho, foram investigados a conversão direta de metano em H2 e C2 H x sobre arestas de grafeno em zigue-zague do tipo Klein dopadas com nitrogênio, boro, fósforo e silício. Foram combinados a Teoria Funcional da Densidade (DFT) e modelagem microcinética para investigar sistematicamente a rede de reação e determinar a decoração de borda mais eficiente. Entre os quatro nanocarbonos decorados com arestas (EDNCs) investigados, o N-EDNC apresentou um excelente desempenho para H2 produção em temperaturas acima de 900 K, seguido por P-EDNC, Si-EDNC e B-EDNC. A análise DFT e microcinética da taxa de dessorção aumentada de hidrogênio atômico revela a presença de um mecanismo Eley-Rideal, no qual P-EDNC mostrou maior atividade para produção de H2 neste cenário. A resistência à deposição de coque na faixa de temperatura entre 900 e 1500 K foi avaliada e comparamos a seletividade para a produção de H2 e C2 H4 . Os sítios ativos N-EDNC e P-EDNC mostraram forte resistência ao envenenamento por carbono, enquanto o Si-EDNC mostrou maior propensão a regenerar seus sítios ativos em temperaturas acima de 1100 K. Este trabalho mostra que EDNCs decorados são catalisadores livres de metal promissores para conversão de metano em H2 e alcenos de comprimento curto.

Oestudo mostrou resultados promissores para o uso de nanocarbonos decorados com bordas como catalisadores livres de metal para a conversão direta de metano, que também é um poderoso gás de efeito estufa, em hidrogênio. Entre os nanocarbonos investigados, os nanocarbonos dopados com nitrogênio apresentaram o maior nível de desempenho para a produção de hidrogênio em altas temperaturas.

Crucialmente, os pesquisadores também descobriram que os nanocarbonos dopados com nitrogênio e fósforo tinham forte resistência ao envenenamento por carbono, que é um problema comum com catalisadores neste processo.

Representação da vista superior (imagem superior) e vista lateral (imagem inferior) das estruturas otimizadas de (a) N, (b) B, (c) P e (d) arestas em zigue-zague decoradas com Si.

Neubi Xavier Jr, o pesquisador que realizou as simulações de ciência de materiais, disse: “Nossos resultados sugerem que o uso de nanocarbonos decorados com bordas como catalisadores pode ser um divisor de águas para a indústria do hidrogênio, oferecendo uma alternativa econômica e sustentável aos catalisadores metálicos tradicionais. Ao mesmo tempo, esse processo elimina o metano, que é um combustível fóssil envolvido no aquecimento global”.

Ao mesmo tempo, esse processo elimina o metano, que é um combustível fóssil envolvido no aquecimento global”.

Perfis de reação de energia livre de Gibbs da formação de H2 em (a) N-EDNC, (b) B-EDNC, (c) P-EDNC e (d) Si-EDNC a 1000 K, 1 bar. A referência para o valor de energia zero foi adotada como o CH4 fisiossorvido . LH e ER representam os mecanismos de reação de Langmuir-Hinshelwood e Eley-Rideal, respectivamente a) Perfil de energia de reação para a quimissorção dissociativa de metano em N-EDNC, B-EDNC, P-EDNC e Si-EDNC. A energia de referência adotada como valor zero é a soma de CH4(g) e o respectivo EDNC. (b) Representação dos pontos estacionários para a adsorção de metano ativado em CH3 e H adsorvidos em diferentes átomos de borda e seus respectivos rótulos adotados neste trabalho. As diferenças de densidade de carga (valor de corte de isosuperfície foi 0,008 e Å –3 ) das estruturas quimisorvidas B1-N, B1-B, B1-P e B1–Si são representadas nos painéis mais à direita.

Frequências de renovação da formação de H2 (a) contra a temperatura e (c) pressão parcial do hidrogênio atômico nos EDNCs. Grau de controle de taxa em N-EDNC, B-EDNC, PEDNC e Si-EDNC em função de (b) temperatura e (d) pressão parcial de H. A pressão total foi ajustada constante em 1,0 bar. As reações com pequenas contribuições para os coeficientes de velocidade global em toda a faixa de temperatura foram omitidas para melhor clareza.

Dr Sachi disse: “Um dos maiores desafios com os catalisadores para a produção de hidrogênio é que eles podem ser envenenados por carbono. Mas nosso estudo descobriu que os nanocarbonos dopados com nitrogênio e fósforo são bastante resistentes a esse problema. Este é um grande passo à frente para a produção sustentável de hidrogênio”.

O combustível de hidrogênio é uma fonte de energia limpa e renovável que tem o potencial de reduzir as emissões de carbono e diminuir nossa dependência de combustíveis fósseis. Quando usado como combustível, o hidrogênio pode alimentar veículos, gerar eletricidade e aquecer edifícios. O único subproduto do combustível de hidrogênio é o vapor de água, tornando-o uma alternativa ecológica aos combustíveis fósseis tradicionais. No entanto, a produção de combustível de hidrogênio atualmente depende de combustíveis fósseis, que criam emissões de carbono no processo, e catalisadores metálicos, cuja mineração e fabricação consomem muita energia e podem afetar negativamente o meio ambiente. Portanto, o desenvolvimento de métodos sustentáveis de produção de hidrogênio e materiais catalíticos é crucial para realizar todo o potencial do combustível de hidrogênio como fonte de energia limpa. A pesquisa foi conduzida por uma equipe liderada pelo Dr. Marco Sacchi, da Universidade de Surrey, especialista na área de energia sustentável e química computacional, que combinou química quântica, termodinâmica e cinética química para determinar a decoração de borda mais eficiente para a produção de hidrogênio.