Quando os electrões "saltam" para a água: o segredo das elevadas capacidades dos eléctrodos
Os investigadores descodificam a forma como uma "transferência de electrões" mínima aumenta dez vezes a capacidade de armazenamento de energia
Para desenvolver electrolisadores melhorados para a produção regenerativa de hidrogénio, os processos nas superfícies dos eléctrodos metálicos utilizados têm de ser compreendidos com precisão. Os investigadores do Departamento de Teoria do Instituto Fritz Haber conseguiram agora demonstrar que mesmo o mais pequeno derrame de electrões metálicos no ambiente aquoso do eletrólito é suficiente para aumentar a capacidade de armazenamento de energia em mais de dez vezes. Só se as simulações computacionais tiverem em conta este efeito mecânico quântico é que podem ser utilizadas de forma fiável para investigar novos e promissores materiais para electrolisadores.
A produção eletroquímica de hidrogénio ou de combustíveis sintéticos constitui um dos principais pilares do futuro armazenamento sustentável de energia. No entanto, os materiais dos eléctrodos utilizados nos electrolisadores actuais ainda não realizam estes processos de conversão química de forma suficientemente eficiente ou corroem-se demasiado depressa. A procura de materiais adequados mais activos e/ou duradouros é, por conseguinte, um domínio de investigação muito ativo. A utilização de simulações informáticas modernas poderia complementar experiências longas e complexas, contribuindo assim para a urgente redução dos longos ciclos de investigação e desenvolvimento.
No entanto, as simulações em computador só podem cumprir esta função se descreverem de forma fiável os sistemas reais. Para captar com precisão as conversões químicas, esta descrição tem de ir até aos pormenores da estrutura atómica e, infelizmente, mesmo após anos de investigação intensiva, há ainda problemas por resolver. Uma questão há muito conhecida é que as anteriores simulações atomicamente resolvidas não conseguiam reproduzir corretamente a capacidade experimental de um modelo de elétrodo relativamente simples mas prototípico. A capacidade calculada para esta superfície monocristalina definida de platina, ou seja, a capacidade de armazenamento intrínseca, era sempre, pelo menos, um fator de 10 a menos.
Os investigadores do Departamento de Teoria do Instituto Fritz Haber descobriram que este problema se deve à natureza clássica das técnicas de simulação utilizadas até à data. Lang Li, o primeiro autor do estudo publicado no famoso Journal of the American Society, explica: "Por clássico, queremos dizer que os efeitos da mecânica quântica não foram explicitamente considerados nas simulações até à data". Em simulações complexas que incluem estes efeitos, ela e a equipa liderada pelo Dr. Nicolas Hörmann conseguiram confirmar totalmente os valores experimentais. Especificamente, as suas análises mostraram que os electrões penetram, em certa medida, da superfície do elétrodo de platina para as primeiras camadas de água no eletrólito circundante, e é esta expansão que aumenta significativamente a capacidade.
Com este conhecimento, as futuras simulações em computador para novos materiais de eléctrodos promissores podem agora ser especificamente melhoradas. Uma abordagem poderia ser a utilização de métodos de aprendizagem automática que, após um treino adequado em dados mecânicos quânticos complexos, incorporem eficazmente o chamado "spillover" de electrões em simulações clássicas mais eficientes.
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