Novo material reduz custo de célula combustível para gerar energia

Eletrodos impressos substituem platina com eficiência similar na geração de energia com hidrogênio e oxigênio

Apesar de serem uma alternativa de menor impacto ambiental para geração de energia, células combustíveis têm elevado custo de produção devido ao uso de platina nos eletrodos que obtêm eletricidade a partir de hidrogênio e oxigênio; estudo propõe uso de eletrodos impressos para viabilizar economicamente as células combustíveis – Foto: Alexandre Kuma via Flickr – CC

 

Produção de bolhas de hidrogênio na superfície do eletrodo impresso (à esquerda) e eletrodo saturado de calomelano (SCE) utilizado como referência (à direita) – Foto: cedida pelo pesquisador

As células combustíveis são dispositivos que convertem energia química em energia elétrica, transformando, por meio de eletrodos e eletrocatalisadores, hidrogênio em eletricidade. Esses eletrodos são feitos de platina, um metal muito raro, que encarece o custo de produção do equipamento. Por esse motivo, uma pesquisa com participação da Escola Politécnica (Poli) da USP propõe o uso de eletrodos impressos com materiais de menor custo e desempenho similar ao da platina. O método permitirá aumentar a escala de produção e viabilizar economicamente a geração de energia por células combustíveis.

“Hoje em dia, as fontes de energia não renováveis têm o problema de apresentarem um elevado custo ambiental”, afirma Lucas Fugita, aluno de graduação em Engenharia Química da Poli, que participou da pesquisa. “Uma das alternativas é o método das células combustíveis, equipamentos que convertem energia química em energia elétrica, como as pilhas e baterias químicas. De maneira simplificada, uma célula combustível ácida utiliza hidrogênio (H2) como combustível e oxigênio (O2) como oxidante para produzir água e corrente elétrica.”

Na célula combustível, as reações químicas que levam a produção de energia acontecem em um eletrodo. “Esse eletrodo usualmente é feito de platina, um metal nobre e raro, o que torna a produção de energia muito dispendiosa”, ressalta o pesquisador. “Por isso, a pesquisa propõe a utilização de eletrodos impressos, uma técnica conhecida como Screen Printed Electrode (SPE).”

Célula combustível utiliza hidrogênio como combustível e oxigênio como oxidante, para produzir água e corrente elétrica – Imagem: cedida pelo pesquisador

Foto: Wikimedia Commons

 

Impressora

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A técnica utiliza uma impressora onde são inseridos os moldes a serem preenchidos com tinta, gravando os eletrodos sobre uma base plástica. “Inicialmente foi aplicada uma tinta feita com carbono, porém os eletrodos necessitavam de muito mais energia que a platina”, relata Fugita. “Depois foram testadas outras composições de tinta, e o dissulfeto de molibdênio (MoS2) conseguiu aumentar a densidade da corrente elétrica e diminuir a energia necessária para iniciar a reação do hidrogênio, com desempenho similar à platina.”

Durante o processo de impressão, uma camada de MoS2 é depositada no eletrodo, e sua espessura depende do tempo de deposição. “Para descobrir qual era a espessura ideal, vários tempos de deposição foram testados, de 7,5 a 120 minutos”, aponta o pesquisador. “Ao final dos experimentos, descobriu-se que com 45 minutos de deposição acontecia o menor potencial de início de reação e a maior densidade de corrente, otimizando o funcionamento do eletrodo.”

Na pesquisa também foram experimentadas diferentes concentrações de MoS2, até se verificar que a tinta com 10% do composto também reúne as condições ideais de potencial e densidade para fazer a reação. “O uso da impressora permite que se possam produzir vários eletrodos de uma só vez”, ressalta Fugita. “O uso de um material de menor custo, com performance similar à platina, e a fabricação em escala industrial poderão viabilizar economicamente o emprego de células combustíveis para produzir energia.”

Folha de eletrodo impresso (SPE) recém produzida com 22 unidades

 

Impressora DEK 248 Screen Printer, onde são feitos os eletrodos – Foto: cedida pelo pesquisador

 

Bolsa Empreendedorismo

Lucas Fugita: estudo em centro de pesquisa de células a combustível – Foto: Cecília Bastos/USP Imagens

Por meio do edital de 2017 da Bolsa Empreendedorismo da Agência USP de Inovação (Auspin), destinado a projetos de pesquisa com relevância e retorno para a sociedade, Fugita esteve na Manchester Metropolitan University, no Reino Unido. Ali realizou estudos no Fuel Cell Innovation Centre, coordenado pelo professor Craig Banks, dedicado a pesquisas sobre células combustíveis.

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O trabalho teve a supervisão do pesquisador Samuel Rowley Neale, primeiro autor do artigo “Magnetron Sputter-Coated Nanoparticle MoS2 Supported on Nanocarbon: A Highly Efficient Electrocatalyst toward the Hydrogen Evolution Reaction”. Publicado em 3 de julho no ACS Omega Journal, da American Chemical Society (Estados Unidos), o texto apresenta as conclusões da pesquisa. Um novo artigo, sobre eletrodos impressos com tinta misturada a pequenas quantidades de platina, está em fase de preparação.

Mais informações: e-mail lucas.fugita@usp.br, com Lucas Fugita

 

 

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