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

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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.”

As células combustíveis possuem um eletrodo que em contato com a água provoca uma Reação de Evolução de Hidrogênio (HER), produzindo hidrogênio gasoso (H2). “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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