Catalisadores Não Nobres Abrindo Caminho para Hidrogênio Acessível

À medida que o mundo transita dos combustíveis fósseis para mitigar a crise do aquecimento global, o hidrogênio está ganhando destaque como o ‘combustível do futuro’.

Isso se deve a várias razões, incluindo a abundância de água, maior rendimento energético, a produção apenas de água como subproduto e emissões mínimas ou nulas de gases de efeito estufa (GEE). Essas qualidades tornam o hidrogênio limpo utilizável em uma variedade de aplicações, como transporte, geração de eletricidade, aquecimento e indústria, incluindo aço, produtos químicos e cimento.

Embora o hidrogênio demonstre enorme potencial na descarbonização da nossa sociedade, a maior parte do H2 produzido hoje provém do próprio combustível fóssil (metano), gerando emissões substanciais de CO2. Isso significa que há necessidade de alternativas escaláveis para produzir hidrogênio verde e limpo.

Como resultado, pesquisas em andamento estão focadas em encontrar maneiras eficientes e ambientalmente amigáveis de produzir combustível de hidrogênio.

HER: Um Caminho Promissor para a Produção de Hidrogênio Verde

Uma das abordagens promissoras para produzir hidrogênio verde que tem atraído atenção significativa é a eletrólise da água.

Uma reação chave que ocorre na eletrólise da água para produção de hidrogênio é a reação de evolução de hidrogênio (HER), um processo fundamental em eletroquímica.

A eletrólise da água consiste simplesmente em usar eletricidade para dividir a água em oxigênio (O2) e gás hidrogênio (H2), proporcionando um método eficiente e limpo de produzir combustível de hidrogênio em grande escala.

Graças à sua baixa perda ôhmica (que é a energia potencial perdida na forma de calor à medida que as cargas elétricas fluem através de um meio), alta densidade de corrente e baixa taxa de cruzamento de gases, estender o processo HER em escala de laboratório para um eletrólito de membrana de troca de prótons (PEM) comercial fornece uma rota sustentável para o hidrogênio verde.

Na eletrólise PEM, o hidrogênio é produzido pela divisão da água usando eletricidade e um eletrólito de polímero sólido. Nesse processo, primeiro, a eletricidade é aplicada para separar as moléculas de água em íons de hidrogênio (prótons), elétrons e oxigênio. Os prótons então se movem através da membrana, um polímero condutor de prótons que separa o ânodo e o cátodo, enquanto os elétrons circulam por um circuito externo.

No ânodo, a molécula de água é oxidada, produzindo apenas oxigênio, prótons e elétrons. No cátodo, prótons e elétrons se combinam para formar gás hidrogênio.

Este método é utilizado para produzir hidrogênio para células de combustível, além de ser empregado em vários processos industriais, como produção de fertilizantes, refino de petróleo e petroquímicos.

Mas o problema surge com condições de trabalho adversas, como a forte interface ácido-reduzida entre eletrólito e catalisador. Esse ambiente faz com que os eletrólitos PEM comerciais precisem usar cátodos de platina (Pt), que não são abundantes, portanto são caros, para manter alta atividade.

As condições severas tornam esses cátodos (baseados em metais não preciosos) inadequados para o eletrólito de membrana de troca de prótons (PEM).

A ampla aplicação real do PEM, que está em escala de terawatts, requer a necessidade de catalisadores baratos para substituir metais nobres. Embora a busca por cátodos baseados em metais não preciosos adequados para a comercialização do PEM esteja em andamento, continua sendo um desafio.

Aqui, fosfetos de metais de transição (TMPs) demonstraram potencial como catalisadores HER, mas seu uso para substituir metais nobres ainda está em fase inicial. Uma razão principal para isso é a falta de compreensão da tolerância sob condições de trabalho adversas, bem como o monitoramento da rotação dos sítios ativos durante o processo de geração de hidrogênio.

Estratégia de Reconstrução de Superfície Produz Combustível de Hidrogênio Acessível

Recentemente, o uso de nanopartículas de CoP como cátodos foi relatado como facilmente integrável em eletrólitos industriais de água PEM, demonstrando seu potencial de aplicações comerciais.

No entanto, o desafio é escalar a reação HER de um experimento de laboratório para produção comercial em larga escala, mantendo os custos baixos, o que o estudo mais recente conseguiu.

De acordo com resultados publicados na Advanced Energy Materials¹ em abril de 2025, uma equipe de pesquisadores da Universidade Tohoku demonstrou o uso ampliado de um cátodo CoP|F (CoP modificado com F) de escala de laboratório (0.2 cm²) para um eletrólito PEM comercial (38 cm²).

Ao buscar desempenho superior de HER, os pesquisadores descobriram que a via de reconstrução de superfície pode criar cátodos de metal não nobre de longa duração que melhoram o HER.

Esses cátodos conseguem manter seu desempenho por mais de 300 horas. Além disso, o custo calculado pela equipe também ficou muito próximo da meta de produção de H2 para 2026 estabelecida pelo Departamento de Energia dos EUA, que é de US$ 2,00 por kg de H2.

Para acelerar a reação HER, que é naturalmente lenta e ineficiente, a equipe recorreu aos TMPs. Fosfetos de metais de transição são um metal não precioso de baixo custo e durável. É um catalisador promissor com estrutura eletrônica única e alta atividade catalítica, o que melhora a eficiência do HER.

Com metais nobres tipicamente usados para esse fim, os pesquisadores acreditam que há uma lacuna de conhecimento sobre metais não nobres que precisa ser preenchida.

Um catalisador de metal não nobre refere-se a um material alternativo que é econômico e abundantemente disponível em comparação com metais nobres. Esses catalisadores de metal não nobre oferecem reatividade ajustável, o que significa que podem ser modificados conforme necessário para aumentar a estabilidade, seletividade e atividade em diferentes processos catalíticos.

Assim, a equipe preparou o CoP modificado com F e então utilizou espectroscopia de absorção de raios X operando (XAS) e medições Raman para avaliar suas diversas características, como reconstrução de superfície e sítios ativos reais.

Os resultados confirmaram que a adição de flúor à rede CoP1‑x pode promover a ruptura das ligações Co‑P, resultando na reconstrução de Co metálico amorfo. A formação de sítios de vacância de fósforo (P) na superfície cria mais sítios ativos, o que acelera o HER.

A superfície reconstruída apresenta alta atividade e tolerância na interface ácido-reduzida entre eletrólito e catalisador. Notavelmente, quando usada como cátodo em um eletrólito PEM comercial, o desempenho do cátodo CoP|F) é comparável ao catalisador avançado Pt/C a um custo de apenas US$ 2,17 por kg H2‑1.

“Este Co reconstruído é altamente ativo, funciona em condições ácidas e pode manter aproximadamente 76 W por mais de 300 horas,” disse Heng Liu, professor assistente no Advanced Institute for Materials Research (WPI‑AIMR). “Estamos chegando perto de um método acessível para produzir combustível,” acrescentou, observando que o custo é apenas 17 centavos acima da meta de produção atual estabelecida para 2026.

Com esses resultados impressionantes, os pesquisadores esperam oferecer uma rota de reconstrução de superfície para cátodos baseados em metal não nobre altamente eficientes, econômicos e duráveis para eletrólitos PEM comerciais.

Mais importante ainda, a configuração não foi apenas testada em escala de laboratório com três eletrodos, mas foi realmente ampliada para escala comercial. E com esse design racional para novos cátodos, que podem servir de base para outros cátodos baseados em metais não nobres, o estudo potencialmente preenche a lacuna do laboratório para a fábrica.

“Estamos sempre pensando no objetivo final, que é que a pesquisa chegue ao cotidiano. Este avanço nos aproxima um passo de projetar opções mais realistas para aplicações comerciais de PEM.”

– Liu

Avanços na Produção de Hidrogênio Limpo

Com o hidrogênio emergindo como uma fonte de energia limpa e renovável promissora, muito foco está atualmente na produção eficiente de hidrogênio que possa atender à demanda em escala comercial, com maior interesse na divisão de água impulsionada por eletricidade.

A eletrólise da água pode ser dividida em duas reações: a reação de evolução de hidrogênio (HER), onde a água é reduzida no cátodo para produzir hidrogênio, e a reação de evolução de oxigênio (OER), onde a água é oxidada no ânodo para produzir O2. Em ambos os casos, a catálise desempenha um papel importante, criando a necessidade de catalisadores altamente eficazes para produzir H2 e O2 de forma eficiente.

Neste mês, em mais uma pesquisa do AIMR, Universidade Tohoku, os pesquisadores propuseram uma nova estrutura de catalisador, oferecendo uma abordagem potencial para produção de hidrogênio de baixo custo por meio da eletrólise da água. O foco aqui, porém, foi no OER.

O material foca em Co3O4 (óxido de cobalto II, III) monocristalino mesoporoso (materiais porosos com diâmetros de poros entre 2–50 nm) dopado com irídio (Ir) disperso atômicamente, projetado para o OER ácido.

Embora conhecido por seu desempenho no OER, o Ir é escasso e caro. Além disso, usar irídio de forma eficiente mantendo a estabilidade apresenta um desafio na ampliação da tecnologia. Portanto, o estudo apresenta uma solução por meio de um material que maximiza a eficiência em nível atômico.

Apresentando uma estrutura espinél mesoporosa, o catalisador pode ter alta carga de Ir (13,8 % em peso) sem formar grandes aglomerados de irídio, permitindo a formação de sítios de ponte Co‑Ir. Sob condições ácidas de OER, esses sítios demonstraram alta atividade inata.

Para analisar isso, a pesquisa combinou dados experimentais com modelagem computacional, que sugere que intermediários de oxigênio (O*) cobrem totalmente as superfícies de Co3O4. Isso geralmente passiva os sítios de Co, mas o dopamento com Ir reativa os sítios ao mesmo tempo que melhora a integridade estrutural do catalisador.

Este estudo reduziu as perdas de Ir e Co para cerca de um quarto e um quinto, respectivamente. Além disso, o catalisador manteve o desempenho por mais de 100 horas.

“A arquitetura mesoporosa desempenha um papel crucial. Ela fornece espaço para o carregamento de Ir em átomos únicos e ajuda a criar um ambiente estável para a atividade catalítica.”

– Professor Hao Li, líder do estudo

O foco do trabalho futuro será ajustar o nível de dopagem, ampliar seu processo e então integrá-lo em sistemas de eletrólitos comerciais.

Outro estudo que investigou um catalisador de irídio econômico observou que a análise mostra que atender à demanda mundial de hidrogênio para transporte usando eletrólise de água de membrana de troca de prótons (PEM‑WE) requer materiais de ânodo baseados em irídio inferiores a 0,05 mgIr/cm². No entanto, os melhores catalisadores atualmente disponíveis no mercado, feitos de óxido de irídio, contêm cerca de 40 vezes esse valor.

A boa notícia é que soluções para isso já estão sendo desenvolvidas. O projeto Kopernikus P2X do Grupo Heraeus está criando um novo nanocatalisador eficiente baseado em irídio, que consiste em uma camada fina de óxido de irídio (IrO2) sobre um suporte de dióxido de titânio (TiO₂) em escala nanométrica.

O catalisador P2X apresenta estabilidade notável mesmo em operação de longo prazo e tem desempenho superior ao benchmark mais cristalino.

Além de trabalhar em várias técnicas para tornar a produção de hidrogênio econômica, escalável e ambientalmente amigável, pesquisadores ao redor do mundo também estão explorando maneiras de armazená-lo de forma eficiente, ajudando o hidrogênio limpo a alcançar adoção no mundo real.

No início deste ano, uma equipe de cientistas com apoio do Departamento de Energia dos EUA demonstrou uma nova forma de armazenar e liberar hidrogênio volátil. Isso resolve um dos principais desafios do uso do hidrogênio como fonte de combustível: o alto custo e a ineficiência de armazenamento e transporte devido à sua baixa densidade e natureza explosiva.

O que os cientistas fizeram aqui foi desenvolver um tipo de combustível de aviação à base de lignina que pode ligar quimicamente o hidrogênio em forma líquida estável. Essa tecnologia, segundo o professor Bin Yang da Washington State University, “poderia permitir armazenamento de hidrogênio de alta densidade e eficiente em um combustível de aviação sustentável de fácil manuseio, eliminando a necessidade de tanques pressurizados para armazenamento e transporte.”

O novo processo utilizou reações químicas que geraram carbonos aromáticos e hidrogênio a partir do combustível de aviação experimental de lignina desenvolvido em laboratório. Encontrada nas plantas, a lignina é um polímero natural e o segundo material mais abundante na Terra.

Nos próximos passos, os pesquisadores projetarão um catalisador impulsionado por IA para melhorar as reações, tornando-as mais eficientes e econômicas.

Empresa Inovadora

Cummins Inc (CMI )

O fornecedor global de soluções de energia, Cummins Inc., opera através de vários segmentos, incluindo Engine, Components, Distribution, Power Systems e Accelera.

A empresa está explorando e utilizando extensivamente a tecnologia de motores a hidrogênio para ajudar a construir um futuro sustentável. A Cummins entrou pela primeira vez na economia do hidrogênio em 2019 com a aquisição da Hydrogenics, fabricante de células de combustível e eletrólitos de hidrogênio. Desde então, tem feito progressos contínuos.

Isso inclui o lançamento de motores ICE a Hidrogênio de 15 L e motores a Gás Natural de 15 L. O portfólio da Cummins também inclui soluções de armazenamento de hidrogênio e o desenvolvimento de tecnologia de células de combustível.

Alguns anos atrás, a Accelera também iniciou operações de produção de eletrólitos em Minnesota, seu primeiro site de produção de eletrólitos nos EUA.

“A eletrólise em larga escala para produzir hidrogênio verde é uma peça chave na descarbonização do transporte e da indústria.”

– Presidente da Accelera, Amy Davis, na época.

Em março de 2025, entretanto, a Cummins tornou-se membro fundador da Hydrogen Engine Alliance of North America (H2EA‑NA), uma iniciativa formada por especialistas da academia, governo e indústria de transporte para promover motores de combustão interna a hidrogênio (H2‑ICE) e sua aplicação em motores marítimos e veículos e equipamentos on‑road e off‑road.

Quanto ao desempenho de mercado da empresa, as ações da Cummins têm apresentado uma forte tendência de alta por mais de duas décadas. Essa trajetória foi marcada por quedas ao longo do caminho, proporcionando uma boa oportunidade para investidores comprarem. A queda de quase 16 % nas ações da Cummins até agora neste ano pode ser vista da mesma forma.

No momento da redação, as ações da CMI estão sendo negociadas a US$ 294,16, o que coloca a capitalização de mercado da Cummins em US$ 40,38 bilhões. Com isso, possui um EPS (TTM) de 28,17, um P/E (TTM) de 10,41 e um ROE (TTM) de 41,27 %. Curiosamente, a Cummins também oferece um rendimento de dividendos de 2,48 %, tornando-a uma oportunidade de investimento potencialmente atraente.

Em relação às finanças, em 2024, ano que a empresa chamou de “transformador” por fazer “progresso significativo no avanço da nossa estratégia Destination Zero” e entregar “resultados recordes”, a receita permaneceu estável em US$ 34,1 bilhões.

Isso foi resultado de vendas na América do Norte aumentando 1 % apesar de registrar uma queda na demanda por caminhões pesados, e receitas internacionais caindo 1 % em comparação ao ano anterior. Uma razão para isso foi a Atmus Filtration Technologies (ATMU ), que se separou da Cummins (CMI ) no ano passado para se tornar uma empresa totalmente independente. Além disso, a Accelera passou por reorganização, o que resultou em encargos devido à decisão de simplificar operações e focar investimentos.

O lucro líquido da Cummins para o ano completo de 2024 foi de US$ 3,9 bilhões, ou US$ 28,37 por ação diluída, o que aumentou significativamente devido ao ganho relacionado à separação da Atmus.

Para este ano, a Cummins projeta sua receita na faixa de queda de 2 % a aumento de 3 % devido à demanda “um pouco mais fraca” prevista na América do Norte. Ainda assim, a empresa compartilhou um compromisso com seu objetivo estratégico de longo prazo de devolver 50 % do fluxo de caixa operacional aos acionistas.

Em 2024, a Cummins realmente aumentou seu dividendo em dinheiro de ações ordinárias pelo 15.º ano consecutivo, devolvendo US$ 969 milhões aos acionistas por meio de dividendos.

Outros desenvolvimentos realizados pela empresa no último ano incluem a introdução da plataforma de motor Cummins HELM (Higher Efficiency, Lower Emissions and Multiple Fuels) implementada em todo o seu portfólio de motores das séries B, X10 e X15, e o lançamento de um novo motor apenas para a nova linha de caminhões de médio porte da montadora japonesa Isuzu.

Além disso, Accelera, EVE Energy, Daimler Trucks & Buses e PACCAR (PCAR ) formaram uma joint venture chamada Amplify Cell Technologies para localizar a produção de células de bateria e a cadeia de suprimentos de baterias nos EUA. A Amplify já iniciou a construção de uma fábrica de 21 GWh, com objetivo de iniciar a produção em 2027.

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Conclusão

Uma alternativa promissora aos combustíveis fósseis é o hidrogênio limpo. Este componente crítico da estratégia global de descarbonização oferece alta densidade energética, subprodutos não poluentes e versatilidade em vários setores, tornando crucial o desenvolvimento de métodos econômicos para a produção de hidrogênio.

A eletrólise PEM é uma dessas abordagens que pode ajudar a avançar os esforços de transição energética mundial. Aqui, pesquisadores da Universidade Tohoku substituem catalisadores de platina caros por alternativas de metal não precioso com engenharia de superfície, marcando um passo importante para tornar o hidrogênio limpo comercialmente viável.

Seus benefícios de custo, próximos à meta de custo do DOE dos EUA, e a ampliação do cátodo CoP|F em eletrólitos PEM reais mostram que potencialmente estamos desbloqueando o hidrogênio limpo como uma solução de mercado de massa para as necessidades energéticas globais!

Clique aqui para saber por que o hidrogênio ainda pode ser o combustível do futuro.

Estudos Referenciados:

1. ​Wu, R., Liu, H., Xu, J., Qu, M.-R., Qin, Y.-Y., Zheng, X.-S., Zhu, J.-F., Li, H., Su, X.-Z., & Yu, S.-H. (2025). Surface reconstruction activates non-noble metal cathode for proton exchange membrane water electrolyzer. Advanced Energy Materials, 15(10), 2405846. https://doi.org/10.1002/aenm.202405846