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Aug 22, 2023

Atingindo o ouro com solução de mistério molecular para potencial energia limpa

Uma equipe de pesquisa liderada pela Penn State revelou o mecanismo molecular subjacente a um fenômeno chamado transbordamento de hidrogênio. O entendimento pode levar a um armazenamento de hidrogênio mais eficiente e eficaz para

Uma equipe de pesquisa liderada pela Penn State revelou o mecanismo molecular subjacente a um fenômeno chamado transbordamento de hidrogênio. A compreensão pode levar a um armazenamento de hidrogénio mais eficiente e eficaz para utilização de energia limpa. Os métodos atuais requerem energia e espaço significativos para armazenar o hidrogênio na forma líquida. Crédito: Hirun/Getty Images. Todos os direitos reservados.

31 de agosto de 2023

Por Ashley WennersHerron

UNIVERSITY PARK, Pensilvânia – O derramamento de hidrogênio é exatamente o que parece. Pequenas nanopartículas metálicas ancoradas em um óxido termicamente estável, como a sílica, constituem uma classe principal de catalisadores, que são substâncias utilizadas para acelerar reações químicas sem serem consumidas. A reação catalítica geralmente ocorre no metal reativo – e caro –, mas em alguns catalisadores, equivalentes semelhantes a átomos de hidrogênio literalmente se espalham do metal para o óxido. Essas espécies de hidrogênio sobre óxido são chamadas de "transbordamento de hidrogênio".

Descrita pela primeira vez em 1964, a curiosidade atraiu mais atenção recentemente como um caminho potencial para aproveitar o hidrogénio para energia limpa; no entanto, não ganhou muito progresso, de acordo com Bert Chandler, professor de engenharia química e química na Penn State. Isso ocorre em grande parte porque, embora os investigadores tenham conseguido identificar as repercussões de hidrogénio durante quase 60 anos, ninguém foi capaz de quantificá-las e descrever o mecanismo subjacente ao fenómeno – até agora.

Com alguma sorte e muito trabalho, disse Chandler, uma equipe de pesquisa liderada pela Penn State descobriu como e por que ocorre o transbordamento de hidrogênio e forneceu a primeira medição quantitativa do processo. Eles publicaram suas descobertas na Nature Catalysis.

O trabalho, disse Chandler, oferece uma oportunidade para compreender e desenvolver melhor a ativação e armazenamento de hidrogênio. O armazenamento convencional de hidrogênio requer quantidades significativas de energia para manter o hidrogênio resfriado o suficiente para permanecer líquido. Com o seu sistema único de ouro sobre titânio, no entanto, a equipa de investigação demonstrou que pode quebrar de forma eficaz, eficiente e reversível as moléculas de hidrogénio em átomos de hidrogénio - um processo necessário para induzir o transbordamento de hidrogénio - a temperaturas mais elevadas que requerem menos energia.

“Agora somos capazes de explicar como funciona o transbordamento de hidrogênio, por que funciona e o que o impulsiona”, disse Chandler, autor correspondente do artigo. “E, pela primeira vez, conseguimos medi-lo – isso é fundamental. Depois de quantificá-lo, você poderá ver como ele muda, descobrir como controlá-lo e como aplicá-lo a novos problemas.”

Em sistemas de transbordamento de hidrogênio, o gás hidrogênio reage para se dividir em átomos de hidrogênio equivalentes – um próton e um elétron, mas em um arranjo ligeiramente diferente do seu layout típico. Neste sistema, os prótons aderem à superfície do material enquanto os elétrons entram na banda de condução próxima à superfície do óxido semicondutor. Os pesquisadores disseram que esperam aprender a usá-los para testar aplicações químicas mais avançadas, como a conversão de átomos para uso como combustível limpo e armazenamento de hidrogênio, de acordo com Chandler.

“A peça semicondutora é importante porque os átomos de hidrogênio equivalentes têm seus prótons na superfície e seus elétrons na subsuperfície – eles ainda estão próximos, mas separados por uma superfície condutora”, disse Chandler, explicando que essa pequena separação evita pagar um grande penalidade de energia normalmente necessária para separação de carga. “Para quase todos os sistemas de adsorção, é necessário ter uma adsorção de calor favorável para superar a perda de energia necessária para transformar uma molécula de gás em um sólido por meio de adsorção. É entropicamente desfavorável.”

A entropia representa a energia térmica indisponível necessária para avançar um processo. Em outras palavras, entropia é a dispersão de energia em subestados, como o gelo derretendo em água quando a energia para manter as moléculas no estado sólido não está disponível. As energias requerem equilíbrio, disse Chandler, e medir a contribuição da entropia para o equilíbrio é quase impossível nestes sistemas.