À medida que o mundo muda para fontes de energia sustentável, “hidrogênio verde” – hidrogênio produzido sem emitir carbono – emergiu como um candidato líder à energia limpa. Em um passo significativo, uma equipe de pesquisa colaborativa liderada pelo professor Hyungyu Jin do Departamento de Engenharia Mecânica da Postech e o professor Jeong Woo Han, do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade Nacional de Seul, desenvolveu um novo catalisador baseado em ferro que mais que duplica a eficiência de conversão da produção de hidrogênio verde termoquímico. Suas descobertas foram publicadas recentemente na revista Acta Materialia.
Com preocupações crescentes sobre a poluição fóssil de combustível e as mudanças climáticas, o hidrogênio está ganhando atenção como transportador de energia limpa que apenas emite água após a combustão. Entre várias vias de produção de hidrogênio, a divisão termoquímica de água – que usa energia térmica para dividir a água em hidrogênio e oxigênio – é considerada particularmente promissora. Central para esse processo é o papel dos óxidos metálicos, que absorvem e liberam oxigênio em ciclos, agindo efetivamente como “esponjas de oxigênio”.
No entanto, a maioria dos óxidos convencionais sofre de uma limitação -chave: eles exigem temperaturas extremamente altas para operar efetivamente devido às suas características termodinâmicas. Isso dificultou sua viabilidade comercial. Para enfrentar esse desafio, a equipe de pesquisa desenvolveu uma nova ferrita de níquel com pobres de ferro (Nife2o4, ou NFO). Enquanto os óxidos tradicionais normalmente dependem de reações não estoquiométricas que permitem a absorção e liberação de oxigênio relativamente pequenas, a ferrita pobre em Fe exibe um mecanismo de transformação de fase distinto que permite uma capacidade de oxigênio significativamente maior, mesmo em temperaturas mais baixas. Os resultados experimentais mostraram que os novos óxidos atingiram uma eficiência de conversão de água-hidrogênio de 0,528% por grama de óxidos-mais que o dobro da referência de 0,250% definida pelo material anterior de melhor desempenho.
O que torna este estudo particularmente digno de nota não é apenas o desenvolvimento de um catalisador de alta eficiência, mas também o sucesso da equipe em desvendar os mecanismos subjacentes. Usando uma combinação de técnicas experimentais e simulações computacionais, os pesquisadores foram capazes de identificar, pela primeira vez, os “locais ativos estruturais” nos materiais de óxido de ferro que acionam a produção de hidrogênio no nível atômico. Eles revelaram ainda que um balanço redox entre dois tipos de locais de ferro está diretamente correlacionado com o rendimento de hidrogênio – um insight que poderia orientar o design futuro de catalisadores ainda mais eficazes.
“Este estudo é significativo, pois propõe uma via de produção econômica e sustentável de hidrogênio usando óxidos abundantes de ferro”, “também abre a porta para o uso de calor solar ou calor industrial como fontes de energia para geração de hidrogênio”, disse o professor Hyungyu Jin. O professor Jungwoo Han acrescentou: “Este trabalho é um exemplo convincente de como as ciências experimentais e computacionais podem trabalhar juntas para descobrir princípios fundamentais por meio de colaboração interdisciplinar”.
Esta pesquisa foi apoiada pelo programa Circle Foundation for Innovation Science and Technology, pela National Research Foundation da Coréia e pelo Instituto de Ciência dos Materiais da Coréia.