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Pesquisadores coletaram água do mar em Half Moon Bay, Califórnia, em janeiro de 2023 para um experimento que transformou o líquido em combustível de hidrogênio
Nos Estados Estados, pesquisadores do Laboratório Acelerador Nacional do Departamento de Energia da Universidade de Stanford, com colaboradores da Universidade de Oregon e da Universidade Metropolitana de Manchester, desenvolveram um método de extração de hidrogênio do oceano canalizando a água do mar através de um sistema de membrana dupla e eletricidade.
A tecnologia inovadora provou ser bem-sucedida na geração de gás hidrogênio sem produzir grandes quantidades de subprodutos nocivos. Os resultados da pesquisa, publicados no jornal da Universidade de Stanford esse mês, podem ajudar a avançar nos esforços para produzir combustíveis com baixo teor de carbono.
“Muitos sistemas de água para hidrogênio hoje tentam usar uma monocamada ou membrana de camada única. Nosso estudo uniu duas camadas ”, disse ao jornal universitário Adam Nielander, cientista associado do Centro Suncat de Ciência e Catálise de Interface, um instituto conjunto SLAC-Stanford. “Essas arquiteturas de membrana nos permitiram controlar a maneira como os íons na água do mar se moviam em nosso experimento.”
O gás hidrogênio é um combustível de baixo carbono atualmente usado de várias maneiras, como para operar veículos elétricos com célula de combustível e como uma opção de armazenamento de energia de longa duração – adequada para armazenar energia por semanas, meses ou mais – para redes elétricas.
Muitas tentativas de produzir gás hidrogênio começam com água doce ou dessalinizada, mas esses métodos podem ser caros e consumir muita energia. A água tratada é mais fácil de trabalhar porque tem menos coisas – elementos químicos ou moléculas – flutuando. No entanto, purificar a água é caro, requer energia e adiciona complexidade aos dispositivos, disseram os pesquisadores. Outra opção, a água doce natural, também contém uma série de impurezas que são problemáticas para a tecnologia moderna, além de ser um recurso mais limitado do planeta, disseram.
Para trabalhar com água do mar, a equipe implementou um sistema de membrana bipolar, ou de duas camadas, e o testou usando eletrólise, um método que usa eletricidade para conduzir íons, ou elementos carregados, para executar uma reação desejada. Eles começaram seu projeto controlando o elemento mais prejudicial ao sistema de água do mar – o cloreto – disse Joseph Perryman, pesquisador de pós-doutorado do SLAC e de Stanford.
Uma representação do sistema de membrana bipolar da equipe que converte a água do mar em gás hidrogênio. (Nina Fujikawa/Laboratório Acelerador Nacional SLAC)
“Existem muitas espécies reativas na água do mar que podem interferir na reação água-hidrogênio, e o cloreto de sódio, que torna a água do mar salgada, é um dos principais culpados”, disse Perryman. “Em particular, o cloreto que chega ao ânodo e oxida reduzirá a vida útil de um sistema de eletrólise e pode realmente se tornar inseguro devido à natureza tóxica dos produtos de oxidação que incluem cloro molecular e água sanitária”.
A membrana bipolar do experimento permite o acesso às condições necessárias para a produção de gás hidrogênio e evita que o cloreto chegue ao centro de reação.
“Estamos essencialmente dobrando as maneiras de interromper essa reação de cloreto”, disse Perryman.
Além de projetar um sistema de membrana de água do mar para hidrogênio, o estudo também forneceu uma melhor compreensão geral de como os íons da água do mar se movem através das membranas, disseram os pesquisadores. Esse conhecimento pode ajudar os cientistas a projetar membranas mais fortes para outras aplicações, como a produção de gás oxigênio.
“Também há algum interesse em usar a eletrólise para produzir oxigênio”, disse Marin. “Entender o fluxo de íons e a conversão em nosso sistema de membrana bipolar também é fundamental para esse esforço. Além de produzir hidrogênio em nosso experimento, também mostramos como usar a membrana bipolar para gerar gás oxigênio”.
Em seguida, a equipe planeja melhorar seus eletrodos e membranas construindo-os com materiais mais abundantes e facilmente mineráveis. Essa melhoria no projeto pode tornar o sistema de eletrólise mais fácil de ser dimensionado para um tamanho necessário para gerar hidrogênio para atividades intensivas em energia, como o setor de transporte, disse a equipe.
Os pesquisadores também esperam levar suas células de eletrólise para o Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), onde podem estudar a estrutura atômica de catalisadores e membranas usando os intensos raios-X da instalação.
“O futuro é brilhante para as tecnologias verdes de hidrogênio”, disse Thomas Jaramillo, professor da SLAC e Stanford e diretor da Suncat. “Os insights fundamentais que estamos obtendo são essenciais para informar inovações futuras para melhorar o desempenho, a durabilidade e a escalabilidade dessa tecnologia.”
