Água do mar: o futuro do hidrogênio verde sustentável

Pesquisadores da Universidade de Adelaide realizaram uma façanha surpreendente ao descobrir um método econômico e energeticamente eficiente que divide a água do mar para produzir hidrogênio verde sustentável. Os pesquisadores dividiram com sucesso a água do mar sem pré-tratamento para produzir hidrogênio verde

“Dividimos a água do mar natural em oxigênio e hidrogênio com quase 100% de eficiência para produzir hidrogênio verde por eletrólise, usando um catalisador não precioso e barato em um eletrolisador comercial. Professor Shizhang Qiao, Escola de Engenharia Química, Universidade de Adelaide”

Suas descobertas foram publicadas recentemente na Nature Energy. As descobertas da equipe oferecem uma solução que faz uso direto da água do mar abundante sem a necessidade de pré-tratamento ou adição de outros compostos, tornando o processo, em teoria, sustentável, eficiente e econômico.

A eletrólise refere-se ao processo de divisão da água em hidrogênio e oxigênio pela introdução de uma corrente ou carga eletrônica, que normalmente é feita em um dispositivo conhecido como eletrolisador.

A eletrólise de separação de água oferece uma rota promissora para a produção sustentável de hidrogênio verde –um processo que normalmente requer o uso de um catalisador.

Embora dividir o mar pareça um tanto bíblico em proporção, a equipe, liderada pelo professor Shizhang Qiao e pelo professor associado Yao Zheng, da Escola de Engenharia Química da Universidade de Adelaide, relata a eletrólise prática e direta da água do mar que não foi acidificada ou alcalinizada. , que por sua vez alcança a estabilidade a longo prazo.

Dividimos a água do mar natural em oxigênio e hidrogênio com quase 100% de eficiência para produzir hidrogênio verde por eletrólise, usando um catalisador não precioso e barato em um eletrolisador comercial. Professor Shizhang Qiao, Escola de Engenharia Química, Universidade de Adelaide

Essa configuração leva uma fonte de energia elétrica que é então conectada a dois eletrodos feitos de materiais catalíticos que são imersos na água.

O hidrogênio então aparece no cátodo, onde os elétrons entram na água, e o oxigênio no ânodo.

Os catalisadores convencionais usados na eletrólise são geralmente metais preciosos de terras raras, como platina e irídio, que ajudam a produzir hidrogênio renovável, mas podem ser caros e difíceis de adquirir devido à sua escassez.

Eletrólise Sustentável

a,b, espectros infravermelhos intensificados na superfície in situ de CoOx e Cr2O3–CoOx, respectivamente, em diferentes potenciais em água do mar neutra simulada (pH 7; tampão fosfato salino 0,5 M mais 0,5 M NaCl). A linha pontilhada em a mostra que no CoOx, a banda H2O* não muda obviamente quando a tensão aplicada muda, e as setas azuis tracejadas em b mostram que no Cr2O3–CoOx, a banda H2O* muda continuamente em direção à banda OH* quando o potencial anódico aumenta. Observe que os espectros foram plotados usando a curva medida em 0,90 VRHE como linha de base. c, barreira de energia calculada DFT de dissociação de água em CoO2 e Cr2O3 a 1,60 VRHE, com a inserção mostrando as configurações atômicas de dissociação de água na superfície de Cr2O3 no estado inicial (IS), estado de transição (TS) e estado final (FS). Códigos de cores: bolas ciano e laranja representam átomos de Cr e O em Cr2O3, e bolas vermelhas e brancas denotam átomos de O e H na molécula de H2O. d, Diagrama esquemático da geração do microambiente alcalino local no ânodo modificado por ácido de Lewis, que facilita o OER e inibe a química do cloro. A seta laranja representa a direção do campo elétrico externo (E). LA = ácido de Lewis. EDL = dupla camada elétrica. Dados de origem EDL = dupla camada elétrica. Dados de origem EDL = dupla camada elétrica

Consequentemente, os pesquisadores estão procurando catalisadores alternativos que sejam mais amplamente disponíveis e econômicos, como o óxido de cobalto revestido com óxido de cromo, um óxido de metal de transição. A equipe operou o eletrolisador comercial usando o óxido de metal de transição não precioso e descobriu que sua eficiência e eficácia eram próximas às do uso de um catalisador precioso de terras raras.

O desempenho de um eletrolisador comercial com nossos catalisadores operando em água do mar é próximo ao desempenho de catalisadores de platina/irídio operando em uma matéria-prima de água deionizada altamente purificada.

Professor Associado Yao Zheng, Escola de Engenharia Química, Universidade de Adelaide

O uso de água do mar como matéria-prima demonstra outro benefício importante do processo inovador, já que normalmente a água doce é usada como matéria-prima para a eletrólise.

No entanto, a água doce está se tornando cada vez mais escassa devido a fatores como a poluição industrial e as mudanças climáticas. É por isso que os pesquisadores agora estão se voltando para soluções alternativas de água e

Matéria-prima de água do mar

a,b, espectros infravermelhos intensificados na superfície in situ de CoOx e Cr2O3–CoOx, respectivamente, em diferentes potenciais em água do mar neutra simulada (pH 7; tampão fosfato salino 0,5 M mais 0,5 M NaCl). A linha pontilhada em a mostra que no CoOx, a banda H2O* não muda obviamente quando a tensão aplicada muda, e as setas azuis tracejadas em b mostram que no Cr2O3–CoOx, a banda H2O* muda continuamente em direção à banda OH* quando o potencial anódico aumenta. Observe que os espectros foram plotados usando a curva medida em 0,90 VRHE como linha de base. c, barreira de energia calculada DFT de dissociação de água em CoO2 e Cr2O3 a 1,60 VRHE, com a inserção mostrando as configurações atômicas de dissociação de água na superfície de Cr2O3 no estado inicial (IS), estado de transição (TS) e estado final (FS). Códigos de cores: bolas ciano e laranja representam átomos de Cr e O em Cr2O3, e bolas vermelhas e brancas denotam átomos de O e H na molécula de H2O. d, Diagrama esquemático da geração do microambiente alcalino local no ânodo modificado por ácido de Lewis, que facilita o OER e inibe a química do cloro. A seta laranja representa a direção do campo elétrico externo (E). LA = ácido de Lewis. EDL = dupla camada elétrica. Dados de origem EDL = dupla camada elétrica. Dados de origem EDL = dupla camada elétrica tomando a água do mar como matéria-prima, principalmente em regiões com costas expostas e muita luz solar. No entanto, a água do mar é considerada impura devido à sua elevada salinidade em relação à água doce, o que pode acarretar aumento nos custos de manutenção dos equipamentos utilizados no processo de eletrólise. Normalmente, essa água impura seria tratada antes do início do processo para evitar a corrosão e preservar a vida útil do sistema. No entanto, as soluções de pré-tratamento complicam ainda mais o processo e aumentam os custos.

“É sempre necessário tratar a água impura a um nível de pureza da água para eletrolisadores convencionais, incluindo dessalinização e deionização, o que aumenta o custo de operação e manutenção dos processos. Professor Associado Yao Zheng, Escola de Engenharia Química, Universidade de Adelaide” No entanto, a equipe da Universidade de Adelaide conseguiu demonstrar o uso eficaz da água do mar como matéria-prima sem a necessidade de pré-tratamento, obtendo resultados de desempenho semelhantes a uma configuração mais convencional.

É sempre necessário tratar a água impura a um nível de pureza da água para eletrolisadores convencionais, incluindo dessalinização e deionização, o que aumenta o custo de operação e manutenção dos processos. Professor Associado Yao Zheng, Escola de Engenharia Química, Universidade de Adelaide

A próxima fase do projeto envolve escalar o processo e testar o método usando um eletrolisador comercial que pode ser usado para produção de hidrogênio para células de combustível e síntese de amônia.

²A equipe espera que esse novo processo abra um futuro brilhante para a geração sustentável de hidrogênio verde usando água do mar e catalisadores não preciosos econômicos.

Água do mar

A água do mar é um recurso quase infinito e é considerada um eletrólito de matéria-prima natural. Isso é mais prático para regiões com costas longas e luz solar abundante. No entanto, não é prático para regiões onde a água do mar é escassa.

A eletrólise da água do mar ainda está em desenvolvimento inicial em comparação com a eletrólise da água pura devido às reações laterais do eletrodo e à corrosão decorrente das complexidades do uso da água do mar.

“É sempre necessário tratar a água impura a um nível de pureza da água para eletrolisadores convencionais, incluindo dessalinização e deionização, o que aumenta o custo de operação e manutenção dos processos”, disse o professor associado Zheng.