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O hidrogénio verde, produzido a partir da eletrólise da água utilizando fontes de energia renováveis, está a ser explorado como estratégia para reduzir a dependência de combustíveis fósseis e descarbonizar processos químicos. Do ponto de vista ambiental, esta abordagem é extremamente atractiva dado que são utilizadas condições amenas durante a electrólise e não são produzidos gases com efeito de estufa quando se utiliza o hidrogénio numa célula de combustível.
No entanto, a economia da eletrólise e dos sistemas de células de combustível para conversão de energia depende fortemente dos custos da eletricidade e de metais como níquel, platina, irídio e titânio. As despesas operacionais do eletrolisador devem ser minimizadas para que o hidrogênio verde se torne uma opção economicamente viável. A entrada de eletricidade contribui fortemente para o custo. Assim, diminuir o custo das energias renováveis é um passo necessário. Os painéis solares que se tornaram mais eficientes e acessíveis nas últimas décadas são motivo de otimismo a esse respeito [1], mas há muito mais que pode ser feito para aumentar o sucesso do hidrogénio verde. Eletrolisadores mais eficientes poderiam fazer melhor uso da eletricidade de entrada e o desenvolvimento de componentes mais baratos e duráveis pode reduzir os custos de capital e operacionais.
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Interesse interdisciplinar em hidrogênio verde
Eletrolisadores são principalmente dispositivos eletroquímicos com eletrocatalisadores responsáveis pela divisão da água (figura 1). Os desafios científicos relacionados à otimização de eletrolisadores estão atraindo a atenção de pesquisadores que não são tradicionalmente treinados em eletroquímica. A busca por eletrocatalisadores HER (Reação de Evolução de Hidrogênio) e OER (Reação de Evolução de Oxigênio) eficientes também desperta o interesse de químicos e físicos inorgânicos. O desenvolvimento de membranas melhores exige experiência em química orgânica e de polímeros. A otimização de tintas catalisadoras e sua interação com substratos requer o conhecimento de um cientista de materiais. O gerenciamento do fluxo de calor e massa dentro da pilha de células de combustível e o equilíbrio da planta são empreendimentos de engenharia. Claramente, o desenvolvimento contínuo de tecnologias de hidrogénio verde incentivou a colaboração de cientistas e engenheiros em muitas disciplinas. O resultado é um influxo de criatividade e percepção, bem como o desenvolvimento de novos materiais e técnicas interessantes.
Voltar à rotina
Trabalhar em um domínio desconhecido significa que há necessidade de se familiarizar rapidamente com as melhores práticas e aprender um novo vocabulário científico. Para muitas instituições, a educação em princípios eletroquímicos e competências laboratoriais não era uma área de foco principal até anos recentes.
Em alguns casos, a deficiência de formação eletroquímica fundamental levou a inconsistências no relato de importantes indicadores de desempenho. A comunidade eletroquímica tomou nota disso e pediu uma abordagem mais rigorosa. Como resultado, os especialistas intensificaram e forneceram orientação prática para quantificar e relatar neste domínio.
Ao investigar materiais eletrocatalisadores é necessário ter benchmarks e indicadores de desempenho bem definidos. Em 2013, foi publicado um protocolo de benchmarking abrangente para avaliar e relatar valores de mérito para eletrocatalisadores REA.
Esse Artigo JACS [2] fornece conselhos práticos sobre como interpretar a superfície do catalisador em termos de rugosidade e área superficial geométrica e como realizar e analisar medições para comparações válidas de desempenho eletrocatalítico.
Uma fonte comum de confusão e inconsistência em medições eletroquímicas é o uso de vários eletrodos de referência (RE). A atividade eletrocatalítica é avaliada pelo sobrepotencial necessário para uma taxa de produção especificada (ou seja, a densidade de corrente para o processo HER ou OER, figura 1). Uma configuração de três eletrodos é necessária para medir o potencial, e o RE é crucial por situar esse potencial em escala relativa, permitindo a comparação de medidas realizadas por diferentes grupos e em diversas condições.
Saiba mais sobre eletrodos de referência e seu uso em nossa Nota de Aplicação gratuita.
Eletrodos de referência e seu uso
Um artigo do ponto de vista de 2020 em Cartas de Energia ACS [3] fornece uma explicação detalhada de como relatar o sobrepotencial de um eletrocatalisador, com foco em eletrodos de referência comumente usados, como Hg/HgO, Hg/Hg2Cl2 (SCE) e Ag/AgCl.
Como relatar com segurança o excesso de potencial de um eletrocatalisador (ACS, 2020)
O eletrodo de hidrogênio reversível (RHE) é outro RE comumente usado que é extremamente adequado para estudos de HER e REA. Um recente Artigo Catálise ACS [4] explica por que o RHE é o eletrodo de referência ideal para pesquisa de eletrólise e explica como preparar e trabalhar com um RHE. Por convenção, todos os potenciais redox padrão são relatados em relação ao eletrodo de hidrogênio padrão (SHE). O RHE é uma extensão dependente do pH do SHE e refere-se à redução de um próton sob condições não padronizadas, conforme descrito pela equação de Nernst.
Eletrodos de hidrogênio padrão e reversíveis: teoria, projeto, operação e aplicações (ACS, 2020)
Os eletrolisadores operam sob condições ácidas e alcalinas, portanto, o HER e o REA são estudados em toda a escala de pH (figura 1). O RHE é adequado para uso em qualquer pH e compartilha a mesma dependência do pH que o HER e o OER.
Um terreno comum para se firmar
Encontrar uma linguagem comum e um entendimento entre estes diferentes campos é vital. Esse Artigo de sinopse do JOC [5] esclarece conceitos eletroquímicos para químicos orgânicos. O artigo é altamente visual, fornecendo esquemas que vinculam conceitos como energia livre, potencial redox e sobrepotencial. A termodinâmica de equilíbrio ajuda a fornecer um ponto de referência comum com o qual todos os químicos podem se identificar.
A análise termodinâmica é frequentemente aplicada para quantificar o eficiência energética de células e pilhas de eletrólise. Um artigo de revisão recente no Diário de Fontes de Energia [6] destaca definições divergentes para o coeficiente de eficiência energética da literatura acadêmica e industrial. O artigo fornece derivações em diversas condições e lembra aos leitores que tanto a eletricidade e o calor deve ser contabilizado na análise.
Resumo
Os artigos destacados nesta publicação do blog representam apenas uma pequena fração dos muitos recursos disponíveis para construir um entendimento comum e uma melhor colaboração entre todos os investigadores que trabalham na melhoria das tecnologias de hidrogénio verde. Quando a pandemia da COVID interrompeu o trabalho laboratorial e as viagens de muitas pessoas, a comunidade de investigação prosseguiu com entusiasmo.
Seminários online e grupos de trabalho realizados de forma aberta e gratuita reuniram cientistas de todas as disciplinas e de todo o mundo. Por exemplo, o Colóquio Online Eletroquímica foi iniciado em 2021. Esta série contínua de palestras aborda tópicos essenciais em eletroquímica, fornecendo conteúdo educacional juntamente com a perspectiva pessoal de palestrantes especialistas.
A comunidade eletroquímica está perfeitamente consciente da importância da transição para sustentável e seguro para o clima processos energéticos e químicos. O armazenamento e conversão de energia através do hidrogénio verde é uma estratégia promissora que requer avanços científicos para prosperar. Felizmente, pesquisadores de muitas disciplinas estão trazendo suas habilidades e criatividade para este tópico, enquanto a comunidade eletroquímica continua a impulsionar esforços colaborativos e a compartilhar seus conhecimentos básicos.
Suas conclusões de conhecimento
AN-EC-003: Queda Ohmica Parte 1 – Princípios Básicos
AN-EC-004: Queda Ohmica Parte 2 – Medição
AN-EC-007: Diferenças entre varreduras digitais, varreduras analógicas e integração de sinal
Referências
- Redução dos custos do hidrogénio verde: Ampliando os eletrolisadores para cumprir a meta climática de 1,5°C; Agência Internacional de Energia Renovável: Abu Dhabi, 2020.
- McCrory, C. C. EU.; Jung, S.; Peters, J. C.; e outros. Comparação de eletrocatalisadores heterogêneos para a reação de evolução do oxigênio. J. Sou. Química. Soc. 2013, 135 (45), 16977–16987. doi:10.1021/ja407115p
- Niu, S.; Li, S.; Du, Y.; e outros. Como relatar com segurança o excesso de potencial de um eletrocatalisador. Carta de Energia ACS. 2020, 5 (4), 1083–1087. doi:10.1021/acsenergylet.0c00321
- Jerkiewicz, G. Eletrodos de hidrogênio padrão e reversíveis: teoria, projeto, operação e aplicações. ACS Catal. 2020, 10 (15), 8409–8417. doi:10.1021/acscatal.0c02046
- Nutting, J. E.; Gerken, J. B.; Stamoulis, A. G.; e outros. “Como devo pensar sobre voltagem? O que é superpotencial?”: Estabelecendo uma Intuição de Química Orgânica para Eletroquímica. J. Organização Química. 2021, 86 (22), 15875–15885. doi:10.1021/acs.joc.1c01520
- Lamy, C.; Millet, P. Uma revisão crítica sobre as definições usadas para calcular os coeficientes de eficiência energética de células de eletrólise de água trabalhando em condições próximas à temperatura ambiente. J. Fontes de energia 2020, 447, 227350. doi:10.1016/j.jpowsour.2019.227350