O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Hybrid tantalum oxide nanoparticles from the hydrolysis of imidazolium tantalate ionic liquids: efficient catalysts for hydrogen generation from ethanol/water solutions. Virgínia S. Souza, Jackson D. Scholten, Daniel E. Weibel, Dario Eberhardt, Daniel L. Baptista, Sérgio R. Teixeira and Jairton Dupont. J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 7469-7475. DOI: 10.1039/C6TA02114J.

Nanopartículas super eficientes para catalisar a produção de hidrogênio, um combustível alternativo

Enquanto algumas unidades de carros que usam hidrogênio como combustível começam a ser comercializadas, cientistas de diversos lugares do mundo continuam trabalhando para encontrar as formas mais limpas, sustentáveis, seguras e econômicas de gerar e armazenar hidrogênio. De fato, apesar de ser o elemento mais abundante do universo e estar presente na água e em uma infinidade de outros compostos, o hidrogênio não pode ser encontrado em estado puro em nosso planeta, e precisa, portanto, ser obtido a partir de outros compostos.

Um dos melhores métodos, dos pontos de vista ecológico e econômico, para se produzir hidrogênio é o water splitting, que consiste na separação de moléculas de água em seus dois elementos primários, gerando os gases hidrogênio (H₂) e oxigênio (O₂). Essa divisão pode ser realizada utilizando a energia abundante da luz solar, a temperatura ambiente. Porém, para que, na prática, a luz consiga dividir uma molécula de água, é necessário contar com a ajuda de nanopartículas feitas de determinados materiais semicondutores que funcionam como catalisadores ou, mais precisamente, fotocatalisadores.

Em um estudo totalmente realizado no Brasil, uma equipe de cientistas desenvolveu um novo método, simples e eficiente, para fabricar nanopartículas de óxido de tântalo (Ta₂O₅) com ótimo desempenho como catalisadores na geração de hidrogênio. A pesquisa foi reportada em um artigo recentemente publicado no periódico Journal of Materials Chemistry A (fator de impacto: 8,262).

O trabalho foi desenvolvido com financiamento da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) e do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), dentro da pesquisa de doutorado de Virgínia Serra Souza no Instituto de Química da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (IQ-UFRGS), sob orientação do professor Jairton Dupont.

“A ideia desta pesquisa surgiu quando buscávamos uma rota alternativa e eficiente para a síntese de nanopartículas de Ta₂O₅ e, então, após alguns experimentos, decidimos testar a possibilidade de utilizar líquidos iônicos como fontes e agentes estabilizantes dos nanomateriais”, conta o professor Jackson Damiani Scholten, um dos autores correspondentes do artigo e membro do grupo de pesquisa do IQ-UFRGS. Esse grupo tem ampla experiência no estudo e desenvolvimento de líquidos iônicos (sais que se apresentam em estado líquido a temperatura ambiente). Devido às suas propriedades físico-químicas, os líquidos iônicos podem ser usados durante a fabricação de nanopartículas como agentes estabilizantes, para manter as partículas na escala nanométrica.

Souza, Scholten e Dupont prepararam dois tipos de líquidos iônicos contendo tântalo e geraram as condições para que acontecesse a hidrólise (quebra de ligações químicas de um composto por efeito da adição de água). Os elementos resultantes da hidrólise, provenientes da água e do líquido iônico, se recombinaram formando as nanopartículas de óxido de tântalo.

A equipe pôde verificar que tinha produzido nanopartículas de óxido de tântalo de tamanho entre 1,5 e 22 nm, sendo que as menores tinham sido geradas a partir de um dos líquidos iônicos e as maiores, do outro. Com auxílio do professor Daniel E. Weibel, também do IQ-UFRGS, a composição superficial das nanopartículas foi estudada. Os cientistas propuseram que as nanopartículas obtidas eram híbridas: em volta do óxido de tântalo havia restos de líquido iônico.

Para ver como as nanopartículas se desempenhavam como catalisadores na separação de moléculas de água para geração de hidrogênio, a equipe realizou os testes fotocatalíticos em equipamentos do Instituto de Física da UFRGS, disponibilizados pelo professor Sérgio R. Teixeira. Os testes foram feitos numa solução contendo, além da água, etanol – composto que contribui ao aumento da taxa de produção de hidrogênio.

“Para nossa satisfação, as nanopartículas de Ta₂O₅ apresentaram um dos melhores resultados já publicados para a produção de H₂ a partir de uma solução água/etanol”, lembra o professor Scholten. Esse resultado excepcional foi atribuído no artigo à presença de líquido iônico nas nanopartículas. “Acredita-se que o líquido iônico residual propicie a formação de uma região hidrofílica na superfície do Ta₂O₅ favorecendo a aproximação das moléculas polares (água e etanol)”, explica Scholten. Para terem mais certeza a respeito, os cientistas retiraram o líquido iônico das nanopartículas mediante um tratamento térmico e comprovaram que sua atividade fotocatalítica era muito baixa.

Em outra etapa da pesquisa, Dario Eberhardt, então professor da Universidade de Caxias do Sul (UCS), colaborou com a equipe na deposição de nanopartículas de platina de cerca de 1 nm na superfície das nanopartículas híbridas de óxido de tântalo pela técnica de sputtering, realizada no IF-UFRGS. O material foi caracterizado com o auxílio do professor Daniel L. Baptista, do IF-UFRGS. Com a adição da platina, o desempenho das nanopartículas de óxido de tântalo com líquido iônico nos testes fotocatalíticos foi ainda melhor.

Desta maneira, este trabalho desenvolvido na região Sul do Brasil apresentou um novo método de fabricação de catalisadores super eficientes para uso na produção de hidrogênio, um combustível alternativo promissor, a partir de água e etanol, dois recursos renováveis e abundantes.