Como os nanomateriais à base de irídio contribuem para um futuro mais verde?

O Metrohm Poster Award foi introduzido inicialmente há 29 anos durante a Conferência de Química Eletroanalítica (ELACH) e se tornou uma tradição de longa data. A edição mais recente deste prêmio foi entregue a dois vencedores no Electrochemistry 2022 em Berlim, Alemanha. A conferência, subordinada ao tema «Na Interface entre a Química e a Física», atraiu mais de 600 cientistas especializados em diversas disciplinas de electroquímica. A Eletroquímica 2022 serviu como uma plataforma pós-pandemia para os participantes explorarem tendências e aplicações de ponta e compartilharem avanços em áreas vitais, como tecnologia de sensores, armazenamento de energia, CO₂ redução, fotoeletroquímica, bioeletroquímica, eletrossíntese, corrosão, análise eletroquímica e eletrocatálise.

Vencedores do Prêmio Metrohm Poster 2022

Foram realizadas mais de 300 apresentações de pôsteres, e a comissão de pôsteres (membros do painel científico) escolheu cuidadosamente os dois primeiros colocados. Os vencedores foram então homenageados com um prémio de 500€ cada no cerimônia de premiação.

A pesquisa de Marko Malinović é apresentada neste artigo. Seu pôster foi intitulado: «Síntese controlada por tamanho de IrO cristalino₂ nanopartículas para reação de evolução de oxigênio em ambiente ácido».

CO₂, mudanças climáticas e carros

A implementação de estratégias para mitigar as alterações climáticas é da maior importância. As consequências do excesso de CO₂ as emissões e a subsequente influência nos climas regionais já se fazem sentir, resultando na ocorrência mais frequente de desastres naturais com inevitáveis vítimas humanas.

A forte dependência do sector dos transportes em relação aos combustíveis fósseis gerou consequentemente 37% do CO total₂ emissões em 2021 [1]. Apesar do número crescente de carros eléctricos na estrada, são necessárias soluções tecnológicas adicionais amigas do ambiente para enfrentar o desafio do CO₂ redução de emissões. 

Recentemente, tem sido dada mais atenção aos carros movidos a hidrogénio como uma solução parcial. Esta classe de veículos baseia-se na tecnologia de células de combustível onde o hidrogénio (numa reacção com o oxigénio) gera a electricidade necessária para alimentar o veículo, tendo apenas água e calor como produtos secundários. Embora isto pareça ideal, o hidrogénio só pode ser considerado neutro para o clima se for produzido utilizando fontes de energia renováveis. Em 2020, foi produzido um total de 57 TWh de hidrogénio na Alemanha, um terço dos quais resultante da reforma a vapor de combustíveis fósseis e, portanto, diretamente ligado ao elevado CO₂ emissões [2]. A participação global do hidrogénio derivado de fontes de energia renováveis conhecidas como «hidrogénio verde» menos de 1%, indicando de forma alarmante onde o foco deve ser mudado para causar impacto.

Eletrólise da água

A solução proposta para contornar o excesso de CO₂ a emissão durante a produção de hidrogênio ocorre por meio da divisão eletroquímica da água. A energia elétrica necessária para a reação endotérmica de divisão da água é fornecida por fontes renováveis, resultando na produção de hidrogênio verde.

Entre as diferentes tecnologias de eletrólise disponíveis para produção em escala industrial, os eletrolisadores de água alcalina e os eletrolisadores de água com membrana eletrolítica polimérica (PEM) são os mais comumente usados. Destes dois, o último fornece densidade de corrente até quatro vezes maior e é mais adaptável à entrada elétrica, às vezes bastante imprevisível, de fontes de energia renováveis [3]. Quando comparado com a expansão real dos preços dos combustíveis fósseis, o hidrogénio verde tornou-se totalmente competitivo em termos de custos e, em algumas partes do mundo, até mais barato do que o hidrogénio derivado de fontes de combustíveis fósseis.

Isto levanta a seguinte questão: O que está a impedir esta tecnologia de deter uma parcela maior da produção global de hidrogénio?

Poderá o hidrogénio verde descarbonizar o setor da mobilidade no futuro?

Para responder a esta pergunta, focaremos nos eletrolisadores de água PEM (PEM-WE). Esses eletrolisadores podem operar convenientemente em condições dinâmicas, possibilitando seu acoplamento com fontes de energia renováveis. Em última análise, o excesso de eletricidade pode ser armazenado na forma de hidrogénio.

Para que isso aconteça, duas reações eletroquímicas devem ocorrer na célula PEM. No ânodo, a água é oxidada para gerar oxigênio, elétrons e prótons na reação conhecida como reação de evolução de oxigênio (REA). Consequentemente, os prótons são conduzidos através da membrana e reduzidos no cátodo para formar hidrogênio (figura 1). 

Apesar do hidrogênio ser o produto desejado, o gargalo desse processo é o REA lento que influencia diretamente a eficiência geral do eletrolisador de água. Altos potenciais são aplicados para superar o problema cinético de REA que, juntamente com o ambiente ácido originado de uma membrana eletrolítica polimérica, cria condições bastante adversas na célula, portanto limitando a escolha de catalisadores para esta reação principalmente a metais nobres. 

Iridium para o resgate, com um custo

Dos vários materiais pesquisados, os catalisadores à base de irídio ofereceram o melhor compromisso entre atividade catalítica e durabilidade [4]. No entanto, é aqui também que reside o principal problema em relação ao aumento bem-sucedido da eletrólise da água PEM. A disponibilidade estimada de irídio é de aproximadamente sete toneladas por ano, tornando-o um dos metais mais escassos do mundo [5]. Baixas quantidades de irídio disponível, juntamente com tendências voláteis de oferta e demanda e força maior factores relacionados com os principais locais de mineração, reflectem-se no seu preço que disparou em 2023 para aproximadamente 150.000 euros por kg (abaixo de um ponto alto de 172.200 euros por kg no final de Abril de 2022) [6].

Tendo em mente o alto e imprevisível custo e disponibilidade do irídio, um grande desafio científico é encontrar uma maneira de reduzir a carga do catalisador à base de irídio usado no PEM-WE, mantendo ao mesmo tempo alto desempenho e durabilidade. Curiosamente, Bernt et al. [7] calcularam que se o sector dos transportes fosse descarbonizado até 2100 utilizando veículos movidos a hidrogénio, a densidade de potência específica do irídio deveria ser reduzida por um factor de 50 em comparação com o estado actual. 

Nanomateriais para conversão de energia sustentável

A gravidade deste desafio é a força motriz da investigação de Marko Malinović realizada no grupo de Prof. Marc Ledendecker. Projetar um catalisador à base de irídio eficiente e durável com uma quantidade reduzida de metal nobre não é uma tarefa trivial. Numerosos projetos de catalisadores (figura 1) são relatados na literatura que aborda esse desafio, compreendendo irídio metálico puro, óxidos metálicos, óxidos metálicos mistos, estruturas núcleo-invólucro, óxidos lixiviados e materiais nanoestruturados [8]. A pesquisa de Marko está focada em materiais de óxido de irídio, pois eles podem potencialmente oferecer condutividade semelhante à do metal, mas também maior durabilidade em comparação com seus equivalentes metálicos.

Para garantir a utilização maximizada do catalisador, a pesquisa de Marko visa sintetizar nanomateriais que possuam altas proporções superfície-volume, já que apenas a superfície do catalisador participa ativamente da catálise. Embora o óxido de irídio amorfo (IrO₂) é bem conhecido por sua atividade superior em relação aos REA, a durabilidade ainda não é suficiente para garantir tempos de operação mais longos [9]. O óxido de irídio cristalino obtido em temperaturas ≥400 °C tem uma influência positiva na estabilidade do catalisador [10]. No entanto, altas temperaturas de calcinação levam inevitavelmente a uma diminuição na área superficial cataliticamente ativa.

A nova rota de síntese desenvolvida no grupo de pesquisa Ledendecker oferece a possibilidade de sintetizar IrO₂ nanopartículas com tamanho e morfologia de partícula preservados mesmo após tratamento térmico em altas temperaturas [11]. O que torna este método único é o fato de que a melhoria na durabilidade não é negociada em detrimento da área superficial cataliticamente ativa. Assim, o objectivo principal de utilização maximizada do catalisador é assegurado.

Os próximos passos

É necessária uma redução adicional da quantidade deste precioso metal nobre. Isto poderia ser garantido através da introdução de um material abundante em terra como material central que é consequentemente revestido com uma fina camada de IrO₂, criando uma estrutura conhecida como «core-shell» (figura 1) [12].

A seleção do material de núcleo correto pode ter um impacto crucial nas propriedades eletroquímicas finais do invólucro ativo de óxido de irídio. Além da compatibilidade termodinâmica entre o material do núcleo e do invólucro, os principais pré-requisitos que os materiais do núcleo devem cumprir para serem considerados são a sua condutividade metálica e a resistência à corrosão em meio ácido [13]. Tendo em conta que a resistência à corrosão dos metais não nobres nas condições operacionais do PEM-WE é questionável, esta tarefa é de grande importância e terá especial atenção nos futuros planos de investigação de Marko.