Catalisador se torna impulso para os carros a hidrogênio

Desenvolvido na Dinamarca, funciona com quantidade de platina bem menor do que a exigida atualmente. A alta demanda do metal raro impacta no preço desses veículos. Para especialistas, nova peça estimulará a produção em larga escala

Paloma Oliveto

postado em 21/09/2020 06:00

(crédito: Kathy F. Atkinson/Divulgação)

Em vez de CO2, água. É assim que funcionam os carros movidos a hidrogênio, considerados uma importante alternativa para o setor de transportes, um dos maiores emissores de gases de efeito estufa. Com mais de 1 bilhão de veículos circulando mundo afora, os elétricos poderiam reduzir substancialmente a poluição atmosférica e, consequentemente, as tendências das mudanças climáticas. Porém, eles ainda são pouco viáveis: o Toyota Mirai, que seria lançado nas Olimpíadas de Tóquio, adiada devido à pandemia, custa US$ 70 mil no país asiático.

Um dos problemas é o material utilizado como catalisador das células de combustível. Para a reação química, um veículo movido a hidrogênio exige 50g de platina. Já os carros comuns precisam de 3g a 5g. Agora, pesquisadores do Departamento de Química da Universidade de Copenhague, na Dinamarca, esperam ter encontrado uma solução. Em um artigo publicado na revista Nature Materials, eles descrevem o desenvolvimento de um catalisador que não requer uma quantidade tão grande do raro metal.

Matthias Arenz, pesquisador da instituição e principal autor do estudo, explica que, em célula de combustível a hidrogênio, os átomos do elemento químico são divididos para gerar energia elétrica. Para isso, o hidrogênio é alimentado em um eletrodo, em que é dividido em prótons, com carga positiva, e em elétrons, com carga negativa.

Os elétrons fluem através do eletrodo e geram corrente elétrica fora da célula, o que aciona o motor de um veículo. Os prótons passam por uma membrana que só é permeável a partículas igualmente positivas e reagem, do outro lado, em um segundo eletrodo revestido com um catalisador (no caso dos veículos de hidrogênio, de uma liga de platina-cobalto) com o oxigênio do ar, produzindo vapor de água. O produto final é descarregado pelo escapamento.

Em laboratório, a equipe de Arenz conseguiu reduzir o percentual de platina no catalisador. “Ele só precisa de uma fração da quantidade de que as atuais células de combustível de hidrogênio necessitam. Estamos nos aproximando da mesma quantidade de platina necessária para um veículo convencional”, diz. “Ao mesmo tempo, o novo catalisador é muito mais estável do que os catalisadores utilizados nos atuais veículos movidos a hidrogênio”, explica.

“As tecnologias sustentáveis são frequentemente desafiadas pela disponibilidade limitada de materiais raros que as tornam possíveis, o que, por sua vez, limita a escalabilidade”, diz Jan Rossmeisl, chefe do Centro de Catálise de Liga de Alta Entropia da Universidade de Copenhague. “Devido a essa limitação atual, é impossível simplesmente substituir os veículos do mundo por modelos a hidrogênio da noite para o dia. Por isso, a nova tecnologia poderia ser uma virada de jogo.” O cientista argumenta que o novo catalisador pode facilitar a implantação de veículos a hidrogênio em uma escala muito maior do que já se imaginou.

Vida útil

O novo catalisador resolve outro problema envolvido na produção de carros a hidrogênio. As nanopartículas de platina-cobalto podem derreter enquanto operam em um veículo, o que reduz a superfície do catalisador e, portanto, a eficiência da célula.

Além disso, o carbono normalmente usado para fixar o catalisador pode corroer quando usado no tráfego rodoviário, afetando a vida útil da célula de combustível e, consequentemente, a do veículo. “Nossa motivação foi, portanto, produzir um eletrocatalisador sem um portador de carbono, mas, mesmo assim, poderoso”, explica Matthias Arenz.

Os pesquisadores conseguiram transformar a ideia em realidade graças a um processo especial chamado catodo sputtering. Com esse método, o material (no caso da pesquisa dinamarquesa, platina ou cobalto) é reduzido a átomos por bombardeio com íons. Os átomos gasosos liberados, então, condensam-se como uma camada adesiva. “Com o processo de pulverização catódica especial e o tratamento subsequente, uma estrutura muito porosa pode ser alcançada, o que dá ao catalisador uma grande área de superfície, que é autossustentável ao mesmo tempo. Um carreador de carbono é, portanto, supérfluo”, diz Gustav Sievers, do Instituto Leibniz de Ciência e Tecnologia do Plasma da Universidade de Bern, na Suíça, e também autor do estudo.

Como a tecnologia é escalonável industrialmente, ela pode ser usada para volumes de produção maiores, como o setor de produção automotivo. “Nossas descobertas são, portanto, importantes para o futuro desenvolvimento do uso sustentável de energia, especialmente tendo em vista os desenvolvimentos atuais no setor de mobilidade para veículos pesados de carga”, conclui Matthias Arenz.

Bateria de silício tem 10 vezes mais energia

Na Universidade de Dalaware, nos Estados Unidos, um professor de engenharia mecânica está desenvolvendo uma bateria de última geração que, segundo ele, alimentará dispositivos elétricos por mais tempo e possibilitará reduzir o preço de carros elétricos. “Se pudermos fazer isso acontecer, será uma mudança de paradigma”, diz Koffi Pierre Yao.

O pesquisador destaca que há urgência em se buscar alternativas no setor de transporte que, somente nos Estados Unidos, produz quase 30% das emissões de gases de efeito estufa do país. No Brasil, esse percentual é de 25% e está em alta. “Os veículos elétricos, se amplamente adotados, podem desacelerar o ritmo das mudanças climáticas, afirma Yao.

Ele explica que as baterias de íon de lítio, recarregáveis, como as de um celular ou um carro elétrico, funcionam convertendo reações químicas em energia elétrica (assim como as células de hidrogênio) e, para fazer isso, cada uma delas é construída com dois eletrodos — também conhecidos como transportadores de energia.

Um desses, denominado ânodo, é normalmente feito de grafite. O que Yao está tentando desenvolver é um ânodo feito de silício, material muito mais barato e que pode armazenar e fornecer até 10 vezes mais energia. “Imagine 350 watts-hora por quilograma, em comparação com as opções atuais de última geração, que oferecem 200 watts-hora por quilograma”, diz. Com isso, o celular duraria muito mais, e um veículo elétrico seria capaz de viajar duas ou talvez até três vezes a distância antes de precisar ser recarregado.
Volume

Contudo, o problema do silício é que, para armazenar tanta energia, ele aumenta de volume conforme a bateria é reiniciada. Enquanto um ânodo de grafite se expande em apenas 10%, no máximo, o silício chega a 350% — e isso degrada o material. Com 50 a 100 cargas, a bateria fica inutilizada.

Yao acredita que a solução está em um filme que se forma na superfície do ânodo na maioria das baterias de íon de lítio. Se ele puder aprimorar o material de forma a permitir a expansão enquanto protege contra a degradação, o pesquisador terá resolvido o problema. “Em termos leigos, esse filme será de plástico. Será elastomérico, o que significa que se estenderá como um elástico”, conta.