Geração de hidrogênio verde: um desafio interdisciplinar enraizado na eletroquímica

O hidrogénio verde, produzido a partir da eletrólise da água utilizando fontes de energia renováveis, está a ser explorado como estratégia para reduzir a dependência de combustíveis fósseis e descarbonizar processos químicos. Do ponto de vista ambiental, esta abordagem é extremamente atractiva dado que são utilizadas condições amenas durante a electrólise e não são produzidos gases com efeito de estufa quando se utiliza o hidrogénio numa célula de combustível.

No entanto, a economia da eletrólise e dos sistemas de células de combustível para conversão de energia depende fortemente dos custos da eletricidade e de metais como níquel, platina, irídio e titânio. As despesas operacionais do eletrolisador devem ser minimizadas para que o hidrogênio verde se torne uma opção economicamente viável. A entrada de eletricidade contribui fortemente para o custo. Assim, diminuir o custo das energias renováveis é um passo necessário. Os painéis solares que se tornaram mais eficientes e acessíveis nas últimas décadas são motivo de otimismo a esse respeito [1], mas há muito mais que pode ser feito para aumentar o sucesso do hidrogénio verde. Eletrolisadores mais eficientes poderiam fazer melhor uso da eletricidade de entrada e o desenvolvimento de componentes mais baratos e duráveis pode reduzir os custos de capital e operacionais.

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Hidrogénio verde, combustível do futuro: utilização de potenciostatos para desenvolver novos catalisadores para a produção de hidrogénio

Descarbonizando processos químicos com Thor

Interesse interdisciplinar em hidrogênio verde

Eletrolisadores são principalmente dispositivos eletroquímicos com eletrocatalisadores responsáveis pela divisão da água (figura 1). Os desafios científicos relacionados à otimização de eletrolisadores estão atraindo a atenção de pesquisadores que não são tradicionalmente treinados em eletroquímica. A busca por eletrocatalisadores HER (Reação de Evolução de Hidrogênio) e OER (Reação de Evolução de Oxigênio) eficientes também desperta o interesse de químicos e físicos inorgânicos. O desenvolvimento de membranas melhores exige experiência em química orgânica e de polímeros. A otimização de tintas catalisadoras e sua interação com substratos requer o conhecimento de um cientista de materiais. O gerenciamento do fluxo de calor e massa dentro da pilha de células de combustível e o equilíbrio da planta são empreendimentos de engenharia. Claramente, o desenvolvimento contínuo de tecnologias de hidrogénio verde incentivou a colaboração de cientistas e engenheiros em muitas disciplinas. O resultado é um influxo de criatividade e percepção, bem como o desenvolvimento de novos materiais e técnicas interessantes.

Voltar à rotina

Trabalhar em um domínio desconhecido significa que há necessidade de se familiarizar rapidamente com as melhores práticas e aprender um novo vocabulário científico. Para muitas instituições, a educação em princípios eletroquímicos e competências laboratoriais não era uma área de foco principal até anos recentes.

Em alguns casos, a deficiência de formação eletroquímica fundamental levou a inconsistências no relato de importantes indicadores de desempenho. A comunidade eletroquímica tomou nota disso e pediu uma abordagem mais rigorosa. Como resultado, os especialistas intensificaram e forneceram orientação prática para quantificar e relatar neste domínio.

Ao investigar materiais eletrocatalisadores é necessário ter benchmarks e indicadores de desempenho bem definidos. Em 2013, foi publicado um protocolo de benchmarking abrangente para avaliar e relatar valores de mérito para eletrocatalisadores REA.

Esse Artigo JACS [2] fornece conselhos práticos sobre como interpretar a superfície do catalisador em termos de rugosidade e área superficial geométrica e como realizar e analisar medições para comparações válidas de desempenho eletrocatalítico.

Comparativo de eletrocatalisadores heterogêneos para eletrocatalisadores de oxigênio para reação de evolução de oxigênio (JACS, 2013)

Uma fonte comum de confusão e inconsistência em medições eletroquímicas é o uso de vários eletrodos de referência (RE). A atividade eletrocatalítica é avaliada pelo sobrepotencial necessário para uma taxa de produção especificada (ou seja, a densidade de corrente para o processo HER ou OER, figura 1). Uma configuração de três eletrodos é necessária para medir o potencial, e o RE é crucial por situar esse potencial em escala relativa, permitindo a comparação de medidas realizadas por diferentes grupos e em diversas condições.

Saiba mais sobre eletrodos de referência e seu uso em nossa Nota de Aplicação gratuita.

Eletrodos de referência e seu uso

Um artigo do ponto de vista de 2020 em Cartas de Energia ACS [3] fornece uma explicação detalhada de como relatar o sobrepotencial de um eletrocatalisador, com foco em eletrodos de referência comumente usados, como Hg/HgO, Hg/Hg₂Cl₂ (SCE) e Ag/AgCl.

Como relatar com segurança o excesso de potencial de um eletrocatalisador (ACS, 2020)

O eletrodo de hidrogênio reversível (RHE) é outro RE comumente usado que é extremamente adequado para estudos de HER e REA. Um recente Artigo Catálise ACS [4] explica por que o RHE é o eletrodo de referência ideal para pesquisa de eletrólise e explica como preparar e trabalhar com um RHE. Por convenção, todos os potenciais redox padrão são relatados em relação ao eletrodo de hidrogênio padrão (SHE). O RHE é uma extensão dependente do pH do SHE e refere-se à redução de um próton sob condições não padronizadas, conforme descrito pela equação de Nernst.

Eletrodos de hidrogênio padrão e reversíveis: teoria, projeto, operação e aplicações (ACS, 2020)

Os eletrolisadores operam sob condições ácidas e alcalinas, portanto, o HER e o REA são estudados em toda a escala de pH (figura 1). O RHE é adequado para uso em qualquer pH e compartilha a mesma dependência do pH que o HER e o OER.

Um terreno comum para se firmar

Encontrar uma linguagem comum e um entendimento entre estes diferentes campos é vital. Esse Artigo de sinopse do JOC [5] esclarece conceitos eletroquímicos para químicos orgânicos. O artigo é altamente visual, fornecendo esquemas que vinculam conceitos como energia livre, potencial redox e sobrepotencial. A termodinâmica de equilíbrio ajuda a fornecer um ponto de referência comum com o qual todos os químicos podem se identificar.

"Como devo pensar sobre tensão? O que é superpotencial?": Estabelecendo uma Intuição de Química Orgânica para Eletroquímica (JOC, 2021)

A análise termodinâmica é frequentemente aplicada para quantificar o eficiência energética de células e pilhas de eletrólise. Um artigo de revisão recente no Diário de Fontes de Energia [6] destaca definições divergentes para o coeficiente de eficiência energética da literatura acadêmica e industrial. O artigo fornece derivações em diversas condições e lembra aos leitores que tanto a eletricidade e o calor deve ser contabilizado na análise.

Uma revisão crítica sobre a definição usada para calcular os coeficientes de eficiência energética de células de eletrólise de água trabalhando em condições próximas à temperatura ambiente. (J. Fontes de energia, 2020)

Resumo

Os artigos destacados nesta publicação do blog representam apenas uma pequena fração dos muitos recursos disponíveis para construir um entendimento comum e uma melhor colaboração entre todos os investigadores que trabalham na melhoria das tecnologias de hidrogénio verde. Quando a pandemia da COVID interrompeu o trabalho laboratorial e as viagens de muitas pessoas, a comunidade de investigação prosseguiu com entusiasmo.

Seminários online e grupos de trabalho realizados de forma aberta e gratuita reuniram cientistas de todas as disciplinas e de todo o mundo. Por exemplo, o Colóquio Online Eletroquímica foi iniciado em 2021. Esta série contínua de palestras aborda tópicos essenciais em eletroquímica, fornecendo conteúdo educacional juntamente com a perspectiva pessoal de palestrantes especialistas.

Colóquio Online Eletroquímica

Suas conclusões de conhecimento

AN-EC-027: Medindo o potencial no contra-eletrodo com VIONIC desenvolvido pela INTELLO – Um estudo de caso sobre redox de platina em meio ácido

AN-EC-003: Queda Ohmica Parte 1 – Princípios Básicos

AN-EC-004: Queda Ohmica Parte 2 – Medição

AN-EC-007: Diferenças entre varreduras digitais, varreduras analógicas e integração de sinal

Referências

1. Redução dos custos do hidrogénio verde: Ampliando os eletrolisadores para cumprir a meta climática de 1,5°C; Agência Internacional de Energia Renovável: Abu Dhabi, 2020.
2. McCrory, C. C. EU.; Jung, S.; Peters, J. C.; e outros. Comparação de eletrocatalisadores heterogêneos para a reação de evolução do oxigênio. J. Sou. Química. Soc. 2013, 135 (45), 16977–16987. doi:10.1021/ja407115p
3. Niu, S.; Li, S.; Du, Y.; e outros. Como relatar com segurança o excesso de potencial de um eletrocatalisador. Carta de Energia ACS. 2020, 5 (4), 1083–1087. doi:10.1021/acsenergylet.0c00321
4. Jerkiewicz, G. Eletrodos de hidrogênio padrão e reversíveis: teoria, projeto, operação e aplicações. ACS Catal. 2020, 10 (15), 8409–8417. doi:10.1021/acscatal.0c02046
5. Nutting, J. E.; Gerken, J. B.; Stamoulis, A. G.; e outros. “Como devo pensar sobre voltagem? O que é superpotencial?”: Estabelecendo uma Intuição de Química Orgânica para Eletroquímica. J. Organização Química. 2021, 86 (22), 15875–15885. doi:10.1021/acs.joc.1c01520
6. Lamy, C.; Millet, P. Uma revisão crítica sobre as definições usadas para calcular os coeficientes de eficiência energética de células de eletrólise de água trabalhando em condições próximas à temperatura ambiente. J. Fontes de energia 2020, 447, 227350. doi:10.1016/j.jpowsour.2019.227350