Artigo em destaque: Catalisadores nanoestruturados para produção de energias renováveis.


O artigo científico de autoria de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Trifunctional catalytic activities of trimetallic FeCoNi alloy nanoparticles embedded in a carbon shell for efficient overall water splitting. Mohd. Khalid, Ana M. B. Honorato,  Germano Tremiliosi Filho and  Hamilton Varela. J. Mater. Chem. A, 2020,8, 9021-9031.

Catalisadores nanoestruturados para produção de energias renováveis

Imagem de microscopia eletrônica de transmissão do material eletrocatalisador: nanopartículas trimetálicas encapsuladas em camadas de carbono.
Imagem de microscopia eletrônica de transmissão do material eletrocatalisador: nanopartículas trimetálicas encapsuladas em camadas de carbono.

Uma pesquisa realizada no Instituto de Química de São Carlos da Universidade de São Paulo (IQSC-USP) resultou em um material nanoestruturado que funciona como catalisador de reações eletroquímicas (eletrocatalisador) fundamentais em alguns sistemas de geração de energia renovável. Por reunir eficiência e baixo custo, o novo material seria uma alternativa aos catalisadores tradicionalmente usados nessas reações, os quais se baseiam em elementos do grupo dos metais preciosos, como a platina, que são escassos e caros.

O material desenvolvido, que, a olho nu, tem a aparência de um pó preto, é híbrido e nanoestruturado. Consiste em nanopartículas de 10 a 50 nm, compostas por uma liga de ferro, cobalto e níquel (três elementos relativamente abundantes e baratos), inseridas em camadas de carbono dopado com nitrogênio.

Recentemente reportado no Journal of Materials Chemistry A, o estudo apresenta um método de fabricação muito simples para obter esse material com a estabilidade necessária às aplicações em eletrocatálise. O método consiste em preparar uma solução de água com sais de ferro, cobalto e níquel e adicionar a ela compostos orgânicos capazes de se ligar a íons metálicos (os chamados “ligantes”). A reação entre metais e ligantes gera estruturas conhecidas como MOFs (metal-organic frameworks). Finalmente, os MOFs obtidos são submetidos a alta temperatura (900°C) para se obter o material final.

“Criamos uma estratégia única, direta e eficaz para a síntese de um eletrocatalisador eficiente, que é barato e bastante ativo em reações de conversão de energia, e pode ter impacto na nova geração de tecnologias na área de energia “, diz Mohmmad Khalid, bolsista de pós-doutorado do Grupo de Eletroquímica do IQSC-USP e autor correspondente do artigo junto ao professor Hamilton Varela (IQSC-USP).

O artigo também reporta os testes realizados nos laboratórios do Grupo de Eletroquímica do IQSC-USP para aferir o desempenho do material nanoestruturado em algumas aplicações ligadas à geração sustentável de energia, como a divisão da molécula de água (hidrólise). Esse processo constitui a forma mais limpa de se obter hidrogênio, considerado atualmente o combustível não-fóssil mais promissor. Contudo, sem a participação de bons eletrocatalisadores, a hidrólise é muito lenta e consome bastante eletricidade.  “Nosso catalisador nanoestruturado funciona impecavelmente na decomposição das moléculas de água para geração de hidrogênio aplicando um potencial muito baixo em comparação com vários eletrocatalisadores baseados em metais não preciosos reportados anteriormente”, afirma Khalid.

O material nanoestruturado também apresentou resultados muito bons como catalisador da oxidação de etanol. Essa reação é realizada nas células a combustível de etanol (direct-ethanol fuel cells) para obter energia elétrica a partir da energia química do etanol (combustível renovável do qual o Brasil é o segundo produtor mundial). “Assim, o catalisador mostrou seu potencial não apenas para gerar hidrogênio, mas também para aplicações de células de combustível”, diz Khalid.

Superando os desafios

O trabalho começou em 2017, com um projeto de pesquisa coordenado pelo professor Hamilton Brandão Varela de Albuquerque, com a participação de Mohmmad Khalid como bolsista de pós-doutorado. De acordo com Khalid, o objetivo final do trabalho era encontrar um eletrocatalisador barato e estável para o processo de divisão da molécula de água.

Os principais problemas enfrentados pelos pesquisadores foram a agregação de nanopartículas durante a síntese do material e a sua dissolução nos eletrólitos durante os testes eletroquímicos. “Ideias interessantes surgiram em discussões com a doutora Ana Maria Borges Honorato e pudemos, então, otimizar as condições do processo de síntese”, conta Khalid. No material obtido, as camadas de carbono protegem as nanopartículas catalisadoras e influem no desempenho catalítico do material, que é afetado pela espessura dessas camadas e por pequenas variações em sua composição. “Esta nanoestrutura nos permitiu resolver não apenas o problema de agregação de partículas durante a síntese e o problema de segregação/ dissolução de metais em eletrólitos durante a operação, mas também melhorou o desempenho catalítico em redução de oxigênio, evolução de oxigênio, evolução de hidrogênio, reações de oxidação de etanol e divisão geral da água, com valores muito competitivos com relação a catalisadores de referência”, resume o pós-doc.

O trabalho recebeu financiamento das agências brasileiras FAPESP (São Paulo), CNPq e CAPES.

Autores principais do trabalho. A partir da esquerda: Mohmmad Khalid, Ana Maria Borges Honorato e Hamilton Varela.
Autores principais do trabalho. A partir da esquerda: Mohmmad Khalid, Ana Maria Borges Honorato e Hamilton Varela.

Artigo em destaque. Nanopartículas super eficientes para catalisar a produção de hidrogênio, um combustível alternativo.


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).

Fotos dos autores principais do artigo. Começando pela esquerda do leitor: a doutora Virgínia Souza, o professor Jackson Scholten e o professor Jairton Dupont.
Fotos dos autores principais do artigo. Começando pela esquerda do leitor: a doutora Virgínia Souza, o professor Jackson Scholten e o professor Jairton Dupont.

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.

figura NP para H2
Esta figura cedida pelos autores do artigo representa o processo de fabricação de nanopartículas de óxido de tântalo a partir da hidrólise de líquidos iônicos, seguida da deposição de nanopartículas de platina no primeiro material e, finalmente, a aplicação desse segundo material na obtenção de gás hidrogênio pelo processo de “water splitting”.