O artigo intitulado “NiMo–NiCu Inexpensive Composite with High Activity for Hydrogen Evolution Reaction”, publicado no periódico ACS Applied Materials & Interfaces, é destaque no site da Sociedade Brasileira de Pesquisa em Materiais (SBPMat).
A pesquisa em destaque foi produzida pelo grupo liderado por Lucia Helena Mascaro, professora do Departamento de Química da Universidade Federal de São Carlos (DQ – UFSCar) e integrante do Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais (CDMF).
Além de Mascaro, autora correspondente do artigo, o trabalho também conta com a autoria de Hugo L. S. Santos, Patricia G. Corradini, Marina Medina e Jeferson A. Dias.
Confira abaixo a reportagem sobre o artigo publicada no site da SBPMat, de autoria de Verónica Savignano.
Catalisando a produção de hidrogênio
O hidrogênio, cuja combustão não gera emissões poluentes, é atualmente reconhecido como a alternativa mais promissora aos combustíveis fósseis. Entretanto, a produção sustentável desse combustível ainda apresenta desafios, como o desenvolvimento de um processo de produção que seja ao mesmo tempo limpo, econômico e eficiente.
A eletrólise da água é um dos processos que pode se encaixar nessas condições. Como o nome indica, o processo consiste na divisão da molécula de água, baseada na ação de uma corrente elétrica. Como resultado, essa simples reação produz gás hidrogênio e gás oxigênio. Contudo, para se tornar um processo industrial viável, a eletrólise da água precisa de catalisadores que acelerem a produção de hidrogênio sem aumentar muito seus custos.
Um trabalho de uma equipe científica da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), recentemente reportado em artigo da ACS Applied Materials & Interfaces, traz uma contribuição para superar esse desafio. “A principal contribuição do nosso trabalho é a obtenção de um catalisador com uma significativa melhora no desempenho para a produção de hidrogênio a partir da eletrólise da água”, resume Lucia Helena Mascaro, professora da UFSCar e autora correspondente do paper.
O novo catalisador é um filme que pode ser depositado na superfície do eletrodo usado no processo de eletrólise, motivo pelo qual é chamado de eletrocatalisador. Nesse eletrodo, de carga negativa, ocorre a transferência de elétrons que faz o hidrogênio se desprender da molécula de água.
Enquanto alguns eletrocatalisadores são feitos com metais nobres, como a platina, a equipe brasileira procurou obter um material baseado em elementos mais abundantes e econômicos, mas que tivessem boa atividade eletrocatalítica e durabilidade. A opção final foi por uma liga metálica composta por níquel (Ni), molibdênio (Mo) e cobre (Cu), a qual apresentou duas regiões (fases) definidas (NiMo e NiCu), ambas de estrutura cristalina, constituindo um material compósito.
“O material NiMo-NiCu apresentou uma excelente atividade eletrocatalítica, robustez, baixa toxicidade, ampla disponibilidade e viabilidade econômica para a reação de desprendimento de hidrogênio. Esse material foi facilmente obtido por eletrodeposição, que é uma técnica simples, barata e escalável, sobre um substrato de aço carbono, sem a necessidade de qualquer outro tratamento”, afirma Mascaro.
O segredo principal do bom desempenho do filme como eletrocatalisador reside na rugosidade da superfície, provocada pela presença do cobre. Em termos relativos, o filme NiMo-NiCu apresentou uma rugosidade mais de trinta vezes maior do que o filme de NiMo, amplamente utilizado para catalisar o desprendimento de hidrogênio na eletrólise da água.
De fato, a topografia de uma superfície rugosa propicia muitas mais oportunidades para que aconteça o contato da molécula de água com o catalisador e ocorra, então, a transferência de elétrons que gera o desprendimento de hidrogênio. “O aumento da rugosidade do filme implica na formação de uma maior quantidade de hidrogênio para uma mesma área geométrica do catalisador”, explica a professora Mascaro. “Além disso o compósito NiMo-NiCu apresentou alta estabilidade durante eletrolise prolongada”, completa.
Em busca do material mais adequado
A gênese da pesquisa remonta ao ano 2012, quando a professora Lucia e sua equipe do LIEC (Laboratório Interdisciplinar de Eletroquímica e Cerâmica) se propuseram a encontrar um material que melhorasse a eficiência da produção de hidrogênio por hidrólise da água, e que pudesse ser produzido por meio de eletrodeposição – processo rápido e viável na escala industrial, no qual a professora Mascaro e seu grupo têm ampla expertise.
Depois de desenvolver alguns revestimentos com ligas de níquel e ferro, e de fazer uma profunda revisão na literatura científica, o grupo chegou à conclusão de que uma liga de níquel, molibdênio e cobre (Ni-Mo-Cu) deveria ser promissora em termos de atividade eletrocatalítica e robustez, conta a cientista. A equipe da UFSCar decidiu, então, acrescentar o cobre à liga Ni-Mo.
Definido o material, a equipe mergulhou no estudo das condições do processo de eletrodeposição. De fato, um ponto chave para que a eletrodeposição gere os resultados esperados é definir corretamente a composição da solução na qual ocorre o processo. Nessa solução, também conhecida como “banho de eletrodeposição”, encontram-se, em forma de sais, os metais que serão depositados.
Dessa maneira, a equipe produziu filmes com diversas concentrações de cobre, caracterizou todos eles e verificou o desempenho de cada um enquanto eletrocatalisador no desprendimento de hidrogênio. No final do estudo, os pesquisadores puderam determinar com segurança qual das “receitas” fora a mais bem-sucedida.
O trabalho foi desenvolvido, principalmente, dentro do mestrado de Hugo Leandro Sousa Dos Santos, orientado pela professora Mascaro e defendido em 2018 no Programa de Pós-Graduação em Química da UFSCar. A pesquisa contou com financiamento da FAPESP, inclusive por meio do Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais (CMDF), da CAPES e do CNPq, e envolveu dois laboratórios da UFSCar, o LIEC e o Laboratório de Formulação e Síntese Cerâmica (LaFSCer), ligado ao Departamento de Engenharia de Materiais.
A reportagem original está disponível AQUI.
CDMF
O CDMF é um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (Cepids) apoiados pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp), e recebe também investimento do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), a partir do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia dos Materiais em Nanotecnologia (INCTMN).
