Eletrodo universal viabiliza células de combustível de próxima geração

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/09/2023

Esquema das células a combustível SOFC e PCFC operando com os novos eletrodos universais.
[Imagem: Jun Hyuk Kim et al. - 10.1039/D2EE04108A]

Eletrodo universal

As células de combustível são dispositivos que geram eletricidade com elevada eficiência utilizando hidrogênio, uma fonte de energia limpa que só produz água como subproduto.

Mas dificuldades técnicas têm impedido que elas cumpram todo o seu potencial e ocupem seu lugar no dia a dia das pessoas e em ambientes comerciais e industriais.

É por isso que está chamando tanto a atenção um desenvolvimento obtido por pesquisadores do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST), que criaram um eletrodo universal, aplicável a todos os tipos de células de combustível (células de óxido sólido condutoras de oxigênio e de prótons), e que já demonstrou ser durável o suficiente para aplicações práticas.

Dependendo do tipo de íon conduzido pelo eletrólito, as células a combustível de cerâmica são categorizadas em células a combustível de óxido sólido (SOFC: Solid Oxide Fuel Cells) ou células a combustível de cerâmica protônica (PCFC: Protonic Ceramic Fuel Cells). Como ambas podem operar tanto para a produção de eletricidade quanto para a produção de hidrogênio, as células de combustível podem ser categorizadas num total de quatro tipos.

No entanto, esses dispositivos têm um problema crônico, com a velocidade da parte mais lenta da reação diminuindo com uma queda na temperatura, o que reduz grandemente a eficiência da célula. Tem havido grande esforço para resolver isto, já que as células precisam operar quentes demais, mas a maioria dos eletrodos disponíveis têm baixa atividade catalítica e suas aplicações são limitadas a dispositivos específicos, impedindo o chaveamento simples da célula entre a produção de energia e a produção de hidrogênio.

Versátil e durável

Para resolver esse problema, Jun Hyuk Kim e seus colegas doparam um material de óxido de perovskita com um íon de alta valência do elemento tântalo (Ta5+). Com isso, a equipe conseguiu estabilizar o que normalmente é uma estrutura cristalina altamente instável, além de obter uma melhoria na atividade catalítica superior a 100 vezes.

"Nós escapamos da ideia de que deveríamos desenvolver um material completamente novo para resolver um problema existente e, em vez disso, sugerimos uma forma de controlar a estrutura cristalina de um material menos conhecido para desenvolver uma célula de combustível de alta eficiência, e é isso que torna estes resultados mais significativos," disse o professor WooChul Jung.

O material foi aplicado e funcionou em todos os quatro tipos de células a combustível. Além disso, sua eficiência foi superior a qualquer um dos dispositivos relatados até agora, com um excelente desempenho ao funcionar de forma estável durante mais de 700 horas, contra cerca de 100 horas de operação dos materiais existentes.

"Ao contrário dos materiais relatados anteriormente, que só podiam ser aplicados a um tipo de dispositivo por vez, nosso material tem a flexibilidade de ser aplicável a todos os quatro. Aguardamos, portanto, com expectativa a sua contribuição na comercialização de uma tecnologia energética ecológica, incluindo células de combustível e equipamentos de separação de água para a produção de hidrogênio," concluiu o professor Kang Taek Lee.

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