Novo sistema para transformar água do mar em combustível de hidrogênio

Pesquisadores do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford, com colaboradores da University of Oregon e da Manchester Metropolitan University, encontraram uma maneira de extrair o hidrogênio do oceano canalizando a água do mar através de um sistema de membrana dupla e eletricidade. Seu design inovador provou ser bem-sucedido na geração de gás hidrogênio sem produzir grandes quantidades de subprodutos nocivos. Os resultados de seu estudo, publicados na Joule, podem ajudar a avançar nos esforços para produzir combustíveis com baixo teor de carbono.

“Muitos sistemas de água para hidrogênio hoje tentam usar uma monocamada ou membrana de camada única.

osso estudo uniu duas camadas ”, disse Adam Nielander, cientista associado do Centro SUNCAT de Ciência e Catálise de Interface, um instituto conjunto SLAC-Stanford.
“Essas arquiteturas de membrana nos permitiram controlar a maneira como os íons na água do mar se moviam em nosso experimento”. O gás hidrogênio é um combustível de baixo carbono atualmente usado de várias maneiras, como para operar veículos elétricos com célula de combustível e como uma opção de armazenamento de energia de longa duração – adequada para armazenar energia por semanas, meses ou mais – para redes elétricas.
Muitas tentativas de produzir gás hidrogênio começam com água doce ou dessalinizada, mas esses métodos podem ser caros e consumir muita energia.
A água tratada é mais fácil de trabalhar porque tem menos coisas – elementos químicos ou moléculas – flutuando. No entanto, purificar a água é caro, requer energia e adiciona complexidade aos dispositivos, disseram os pesquisadores. Outra opção, a água doce natural, também contém uma série de impurezas que são problemáticas para a tecnologia moderna, além de ser um recurso mais limitado do planeta, disseram.
Para trabalhar com água do mar, a equipe implementou um sistema de membrana bipolar, ou de duas camadas, e o testou usando eletrólise, um método que usa eletricidade para conduzir íons, ou elementos carregados, para executar uma reação desejada.

Eles começaram seu projeto controlando o elemento mais prejudicial ao sistema de água do mar – o cloreto, disse Joseph Perryman, pesquisador de pós-doutorado do SLAC e de Stanford. “Existem muitas espécies reativas na água do mar que podem interferir na reação água-hidrogênio, e o cloreto de sódio, que torna a água do mar salgada, é um dos principais culpados”, disse Perryman. “Em particular, o cloreto que chega ao ânodo e oxida reduzirá a vida útil de um sistema de eletrólise e pode realmente se tornar inseguro devido à natureza tóxica dos produtos de oxidação que incluem cloro molecular e água sanitária”. A membrana bipolar do experimento permite o acesso às condições necessárias para a produção de gás hidrogênio e evita que o cloreto chegue ao centro de reação. “Estamos essencialmente dobrando as maneiras de interromper essa reação de cloreto”, disse Perryman.

Uma casa para o hidrogênio

O sistema de membrana ideal executaria três funções principais: separar os gases hidrogênio e oxigênio da água do mar; ajudam a mover apenas os íons úteis de hidrogênio e hidróxido enquanto restringem outros íons da água do mar; e ajudam a prevenir reações indesejadas. Capturar todos os três juntos é difícil, e a pesquisa da equipe é voltada para a exploração de sistemas que podem combinar com eficiência todas essas três necessidades. Especificamente em seu experimento, os prótons, que eram os íons positivos de hidrogênio, passam por uma das camadas da membrana para um local onde podem ser coletados e transformados em gás hidrogênio ao interagir com um eletrodo carregado negativamente. A segunda membrana do sistema permite apenas a passagem de íons negativos, como o cloreto.

Como proteção adicional, uma camada de membrana contém grupos carregados negativamente que são fixados à membrana, o que torna mais difícil para outros íons carregados negativamente, como cloreto, se moverem para lugares onde não deveriam estar, disse Daniela Marin, graduada em Stanford. estudante de engenharia química e co-autor. A membrana carregada negativamente provou ser altamente eficiente em bloquear quase todos os íons de cloreto nos experimentos da equipe, e seu sistema operou sem gerar subprodutos tóxicos como água sanitária e cloro. Além de projetar um sistema de membrana de água do mar para hidrogênio, o estudo também fornece uma melhor compreensão geral de como os íons da água do mar se movem através das membranas, disseram os pesquisadores.

Esse conhecimento pode ajudar os cientistas a projetar membranas mais fortes para outras aplicações, como a produção de gás oxigênio.

“Também há algum interesse em usar a eletrólise para produzir oxigênio”, disse Marin. “Entender o fluxo de íons e a conversão em nosso sistema de membrana bipolar também é fundamental para esse esforço.

Além de produzir hidrogênio em nosso experimento, também mostramos como usar a membrana bipolar para gerar gás oxigênio.” Em seguida, a equipe planeja melhorar seus eletrodos e membranas construindo-os com materiais mais abundantes e facilmente mineráveis. Essa melhoria no projeto pode tornar o sistema de eletrólise mais fácil de ser dimensionado para um tamanho necessário para gerar hidrogênio para atividades intensivas em energia, como o setor de transporte, disse a equipe.

Os pesquisadores também esperam levar suas células de eletrólise para o Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) do SLAC, onde podem estudar a estrutura atômica de catalisadores e membranas usando os intensos raios-X da instalação.

“O futuro é brilhante para as tecnologias verdes de hidrogênio”, disse Thomas Jaramillo, professor da SLAC e Stanford e diretor da SUNCAT.

“Os insights fundamentais que estamos obtendo são essenciais para informar inovações futuras para melhorar o desempenho, a durabilidade e a escalabilidade dessa tecnologia”.