O catalisador de separação da água cria hidrogénio a baixas temperaturas
A nova forma de produzir combustível de hidrogénio dos investigadores de Birmingham tem um custo inferior ao dos métodos existentes
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A investigação da Universidade de Birmingham revelou um novo método de produção de hidrogénio a baixa temperatura que é adequado tanto para a produção centralizada de hidrogénio como para a produção local utilizando o calor residual de instalações industriais de grande escala.
Cientistas liderados pelo Professor Yulong Ding demonstraram que é possível reduzir a temperatura da separação termoquímica, em que um catalisador divide a água em hidrogénio e oxigénio, em 500oC, utilizando um catalisador de perovskite.
University of Birmingham
O hidrogénio é o elemento mais abundante no universo e é um vetor energético limpo e amigo do ambiente. Ao contrário dos combustíveis fósseis, que produzem emissões nocivas e dióxido de carbono, o hidrogénio produz apenas calor e água durante a combustão e pode também alimentar células de combustível que produzem eletricidade. No entanto, embora o hidrogénio seja isento de carbono no ponto de utilização, 95% da produção atual depende de combustíveis fósseis.
A separação termoquímica, em que um catalisador divide a água em hidrogénio e oxigénio, está a emergir como um método promissor para a produção de hidrogénio. No entanto, os catalisadores actuais dividem a água a 700-1000oCe necessitam de temperaturas entre 1300 e 1500oCpara se regenerarem entre ciclos de divisão da água.
Cientistas liderados pelo Professor Yulong Ding da Escola de Engenharia Química da Universidade demonstraram que é possível reduzir a temperatura em 500oCutilizando um catalisador de perovskite.
A sua investigação, publicada no International Journal of Hydrogen Energy, mostrou que o catalisador pode produzir rendimentos substanciais de hidrogénio numa gama de temperaturas de 150-500oCe ser regenerado a temperaturas entre 700 e 1000oC.
O Professor Ding afirmou: "A temperatura global mais baixa do processo pode permitir que o hidrogénio seja produzido nas proximidades de centrais de produção de energia renovável, e os sectores da indústria de base, como o aço, o cimento, o vidro e os produtos químicos, têm uma abundância de calor residual, que pode ser aproveitado como entrada de calor para a produção de hidrogénio a baixa temperatura. Se o hidrogénio for utilizado localmente, serão ultrapassados os obstáculos colocados pelo armazenamento e pelo transporte, permitindo assim a utilização do combustível hidrogénio sem a necessidade de infra-estruturas dispendiosas".
Uma análise provisória da competitividade dos custos mostrou que a separação da água com o catalisador de perovskite pode produzir hidrogénio a um custo inferior ao do hidrogénio verde (produzido a partir da água por eletrólise) ou do hidrogénio azul (produzido a partir do metano com captura e armazenamento de carbono). A vantagem em termos de custos foi mais acentuada em regiões com baixas tarifas de energias renováveis, como a Austrália.
A investigação foi realizada durante uma colaboração com a Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim (USTB) e está a ser comercializada no Reino Unido e na Europa pela Universidade de Birmingham. A Universidade de Birmingham Enterprise apresentou um pedido de patente que abrange a utilização de catalisadores BNCF para a separação de água a baixas temperaturas e está atualmente a procurar parceiros de desenvolvimento para fazer avançar esta abordagem promissora.
Porquê a separação termoquímica?
O hidrogénio é o elemento mais abundante no universo, mas é relativamente raro na Terra sob a forma de hidrogénio gasoso puro. Encontra-se principalmente ligado a outras moléculas, mais frequentemente a água e os hidrocarbonetos, como o gás natural que contém maioritariamente metano, o carvão ou o petróleo. Para produzir hidrogénio, estas moléculas têm de ser divididas nas suas partes constituintes.
O método mais utilizado para a produção de hidrogénio envolve a divisão do metano através da reforma a vapor. Este método é responsável por quase metade do H2 produzido atualmente, mas produzCO2 como biproduto, o que compromete o seu potencial como fonte de energia sem carbono, a menos que seja associado à captura e armazenamento de carbono. A eletrólise é um método mais ecológico de produção de H2, mas está em concorrência com o hidrogénio mais barato gerado pela separação do metano e, consequentemente, apenas fornece ~4% do H2 fornecido. Os métodos fotónicos utilizam a luz para impulsionar a conversão química da água em hidrogénio, mas ainda estão a dar os primeiros passos e enfrentam desafios significativos em termos de eficiência, escalabilidade e relação custo-eficácia.
Sobre o catalisador de perovskite
As perovskitas são materiais semelhantes a treliças que podem absorver moléculas de oxigénio na sua estrutura e dividir as moléculas que contêm oxigénio nas suas partes constituintes.
Embora as perovskitas existam em muitas formas, os investigadores concentraram-se nas que são feitas de bário, nióbio, cálcio e ferro (perovskitas BNCF), que estão facilmente disponíveis e não requerem uma síntese complexa ou contêm ingredientes tóxicos.
A sua investigação demonstrou que as perovskitas BNCF aceitam o oxigénio nas suas estruturas a temperaturas substancialmente mais baixas do que se pensava anteriormente. O estudo confirmou que o catalisador pode ser regenerado a temperaturas mais baixas do que os actuais catalisadores de separação de água e que mantém a sua capacidade de produzir hidrogénio ao longo de 10 ciclos de produção. A difração de raios X mostrou poucos sinais de alteração estrutural do catalisador ao longo de todo o processo.
O Professor Ding afirmou: "A nossa investigação revelou um catalisador capaz de produzir rendimentos substanciais de hidrogénio a temperaturas relativamente baixas, e um estudo técnico-económico preliminar mostra que é rentável em comparação com as vias azul e verde estabelecidas para a produção de hidrogénio".
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