Estudo com participação de pesquisadores do Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais (CDMF) mostra como ajustar propriedades de ligas bimetálicas para melhorar a produção de hidrogênio
Pesquisadores associados ao CDMF participaram de um estudo que aponta nova estratégia para projetar catalisadores mais eficientes e de menor custo para a produção de hidrogênio.
Os resultados foram publicados no periódico científico International Journal of Hydrogen Energy e mostram que a combinação controlada de metais abundantes em ligas bimetálicas pode ajustar com precisão a interação entre o hidrogênio e a superfície do catalisador — um fator determinante para o desempenho na chamada reação de evolução de hidrogênio (HER), processo central em tecnologias de produção de hidrogênio verde.
Assinam o artigo Pedro Ivo R. Moraes, Rafael L.H. Freire, Marina Medina, Juliana F. Brito, Lucia H. Mascaro,
e Juarez L.F. Da Silva, vinculados à UFSCar, a Universidade de São Paulo (USP) ou à Universidade Estadual Paulista (Unesp).
Alternativa à platina
A produção eletroquímica de hidrogênio depende de catalisadores capazes de facilitar a separação do hidrogênio a partir da água. Os materiais mais eficientes conhecidos hoje são baseados em metais nobres, como a platina, que apresentam alto custo e disponibilidade limitada.
Para contornar esse problema, os pesquisadores investigaram ligas formadas por metais de transição mais abundantes, analisando como diferentes combinações químicas podem reproduzir — ou até melhorar — o desempenho catalítico observado em materiais nobres.
Por meio de simulações computacionais baseadas em teoria do funcional da densidade (DFT), os cientistas avaliaram como a composição de diferentes ligas altera a energia livre de adsorção do hidrogênio na superfície do material — parâmetro considerado um dos principais indicadores da atividade catalítica.
Os resultados mostraram que determinadas ligas bimetálicas permitem controlar essa propriedade de maneira previsível. Em sistemas como FeNi, por exemplo, a relação entre composição e adsorção de hidrogênio apresentou comportamento quase linear, indicando que a atividade do catalisador pode ser ajustada simplesmente modificando a proporção entre os metais.
Efeito sinérgico
De acordo com o estudo, o desempenho catalítico dessas ligas está relacionado a um efeito sinérgico entre os metais que compõem o material. A interação altera a estrutura eletrônica da superfície do catalisador, modificando a distribuição de estados eletrônicos — frequentemente descrita pelo chamado centro da banda d.
Essas mudanças provocam redistribuição de carga na superfície e influenciam diretamente a força com que o hidrogênio se liga ao material.
Esse equilíbrio é crucial para a reação: se a ligação for muito forte, o hidrogênio permanece preso à superfície; se for fraca demais, a reação ocorre de maneira pouco eficiente. Ajustar essa interação é, portanto, um dos principais desafios no desenvolvimento de catalisadores para produção de hidrogênio.
As simulações indicaram ainda que, nos materiais analisados, os átomos de hidrogênio tendem a se adsorver preferencialmente em regiões específicas da superfície do catalisador, conhecidas como hollow sites, onde a geometria favorece a interação simultânea com vários átomos metálicos.
Design racional de materiais
Segundo os autores, os resultados oferecem um guia teórico importante para o desenvolvimento de novos catalisadores baseados em metais abundantes, potencialmente mais baratos e escaláveis que aqueles baseados em metais nobres.
O estudo também reforça o papel da modelagem computacional no chamado design racional de materiais, abordagem que busca prever o comportamento de novos materiais antes mesmo de sua síntese em laboratório.
Esse tipo de estratégia pode acelerar o desenvolvimento de tecnologias ligadas ao hidrogênio verde — considerado um vetor energético estratégico para reduzir emissões de carbono em setores como transporte, indústria e geração de energia.
CDMF
Com sede na Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) e dirigido pelo Prof. Dr. Elson Longo, 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). O CDMF tem como missão integrar pesquisa fundamental, inovação tecnológica e difusão do conhecimento. promovendo colaborações nacionais e internacionais e a formação de recursos humanos altamente qualificados.
