Abordagens de materiais para alcançar uma economia de carbono zero líquido

Stephen Skinner, Professor de Química de Materiais no Imperial College London, discute o impacto das políticas de carbono zero líquido e os desafios que elas apresentam para os desenvolvedores de materiais e sistemas

Nosso progresso em direção a uma economia de carbono zero líquido está acelerando rapidamente com novos anúncios e metas frequentes, mais recentemente com a Agência Internacional de Energia sugerindo em seu relatório para a COP26 que novas caldeiras de gás natural devem ser proibidas a partir de 2025 (1).

Com esses anúncios de política, é essencial considerar o impacto prático da política e os desafios que isso representa para os desenvolvedores de materiais e sistemas. A questão clara que surge de tais anúncios é qual é a alternativa considerada?

Em termos de substituição de caldeiras domésticas, um concorrente principal seria a célula de combustível de hidrogênio, que poderia ser a célula baseada em eletrólito de polímero (PEM) ou célula de óxido sólido (SOC) (2). Para calor e energia domésticos, e assumindo a liderança da experiência de implantação de células de combustível no Japão (3), pode-se argumentar que os SOCs estão mais bem posicionados para fornecer calor e energia combinados (CHP) neste cenário. Esses dispositivos oferecem alta eficiência total e elétrica e têm flexibilidade de combustível, com operação imediata em gás natural reformado, levando à operação direta em hidrogênio, assumindo que uma matéria-prima de hidrogênio esteja disponível. É evidente que existem tecnologias para utilizar efetivamente um combustível de hidrogênio, mas a principal consideração é onde, ou como, o hidrogênio é produzido.

Inovação no setor de materiais

O desenvolvimento de uma rota eficaz para a produção de hidrogênio requer inovação no setor de materiais, e há várias rotas possíveis previstas. O uso de células de óxido sólido, que são dispositivos de cerâmica operando em temperaturas na faixa de 500-900oC, oferece uma rota de alta eficiência para eletrolisar o vapor que produzirá uma saída de H2 (g), mas isso pode precisar de processamento adicional para separar o hidrogênio do residual vapor. Em um modo alternativo de operação, um dispositivo de cerâmica condutor de prótons utiliza o transporte de prótons através de uma membrana de cerâmica para produzir um fluxo de hidrogênio seco de alta pureza. Embora seja uma opção atraente, o desempenho e a durabilidade dos materiais atuais são áreas de preocupação para os desenvolvedores e, como tal, existem esforços de pesquisa significativos dedicados à descoberta e otimização de novos materiais condutores de íons de alto desempenho, incluindo em membranas e eletrodos.

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Os condutores de prótons cerâmicos foram inicialmente identificados por Iwahara et al na década de 1980 (4) com o transporte protônico rápido observado na família de materiais A (Zr, Ce) O3 (A = Sr, Ba). Desde essa descoberta, vários estudos foram realizados para otimizar essas fases, uma vez que a estabilidade das fases em atmosferas contendo CO2 e H2O era inaceitável. O uso de óxidos mistos com substituição dos cátions metálicos produziu a composição BaCe1-x-yYxYbyO3-d, com melhor desempenho. A permeação (transporte) de hidrogênio dessas cerâmicas densas é altamente atrativa e tem levado a um interesse significativo no desenvolvimento de materiais compatíveis com combustível e eletrodo de ar.

É então interessante considerar quais serão os requisitos dos materiais do eletrodo, com vários pesquisadores considerando o advento dos ‘condutores triplos’ como uma solução potencial – que é um único material que conduz prótons, íons óxidos e elétrons. Esses materiais foram propostos como uma explicação da eficácia dos óxidos como eletrodos condutores de prótons, mas há um desafio significativo em determinar categoricamente as três contribuições para a condutividade total.

Para determinar de forma eficaz e inequívoca a natureza dos íons móveis requer o uso de marcadores isotópicos, incluindo D2O, combinado com espectrometria de massa. Esta técnica permite que a taxa de difusão dos prótons seja observada diretamente em função da temperatura de operação.

Compreender o transporte iônico de materiais no estado sólido é essencial para o desenvolvimento de tecnologias que permitirão a transição para uma economia de carbono zero líquido, e este é um dos objetivos do projeto HERMES (5), onde o transporte de hidrogênio e compressão em cerâmica dispositivos é um aspecto fundamental do programa de pesquisa. Além de desenvolver novos dispositivos baseados em materiais estabelecidos, também é essencial ser pioneiro no desenvolvimento de novos materiais e arquiteturas.

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Através da colaboração internacional, novas abordagens usando tecnologias de filme fino para reduzir as temperaturas operacionais de células de óxido sólido estão sendo desenvolvidas como parte do programa EU Epistore (6). O programa também abrange o desenvolvimento de novas ferramentas de caracterização para sondar interfaces de materiais e processos em escala atômica sob condições operacionais, o que pode limitar criticamente o desempenho. Essas parcerias transnacionais colaborativas são essenciais se quisermos avançar em direção às nossas metas de carbono zero líquido.

Novas descobertas de materiais

Novas descobertas de materiais, incluindo o uso das mais recentes ferramentas de triagem computacional, continuam em ritmo acelerado, com melhorias notáveis ​​nas propriedades. Descobertas recentes incluíram o desenvolvimento de novos condutores de íon óxido que também exibiram transporte rápido de prótons (7-9), abrindo novos caminhos de pesquisa, enquanto o desenvolvimento de nanopartículas metálicas exsolvidas a partir de superfícies de óxido (10) apresentou novas rotas para catálise eficaz em ânodos de células de combustível. Cada uma dessas descobertas materiais resultou da colaboração internacional e da capacidade dos pesquisadores de trabalhar em programas financiados conjuntamente, seja por meio de intercâmbios curtos fornecidos pela Royal Society, ou por programas maiores financiados pela UE e EPSRC / JSPS.

Nosso trabalho no Imperial College se beneficiou enormemente com essa internacionalização. Compreender a captação e o transporte de prótons na nova família de óxidos BaNdInO4 (11) resultou do trabalho no Reino Unido, Japão e Argentina, com várias visitas de intercâmbio entre esses parceiros. Sem este nível de cooperação internacional, nossa meta de zero carbono líquido é um desafio muito maior.

Os projetos EpiStore e Hermes receberam financiamento do programa de pesquisa e inovação Horizon 2020 da União Europeia sob os números dos acordos de subvenção 101017709 e 952184, respectivamente.

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Referências

  1. https://www.iea.org/reports/net-zero-by-2050, acessado em 21/05/2021.
  2. I. Staffell et al, Energy Environ. Sci., 2019 12 463.
  3. https://www.eu-japan.eu/sites/default/files/publications/docs/hydrogen_and_fuel_cells_in_japan.pdf, acessado em 21/05/2021.
  4. H. Iwahara et al, Solid State Ionics, 1983 9-10 1021.
  5. https://hermesproject.eu/, acessado em 21/05/2021.
  6. https://www.epistore.eu/, acessado em 21/05/2021.
  7. S. Fop et al, Nature Mater. 2020 19 752.
  8. A. Gilane et ai, J. Mater. Chem. A, 2020 8 16506.
  9. C. Fuller et ai, Chem. Mater., 2020 32 4347.
  10. D. Neagu et al, Nature. Chem, 2013 5 916.
  11. Y. Zhou et al, Chem. Mater., 2021 33 2139.

Observação: este é um perfil comercial

© 2019. Este trabalho está licenciado sob um Licença CC BY 4.0.

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