Desbloqueando a Produção Eficiente de Hidrogênio para Energia Limpa

O crescimento contínuo da população e da economia mundial levou a um aumento significativo na demanda de energia, cerca de 80% da qual é atendida por combustíveis fósseis. Esses recursos não apenas estão diminuindo drasticamente, mas também são responsáveis por um aumento considerável nos gases de efeito estufa (GEE) no ambiente.

Como resultado, há agora um foco crescente em fontes de energia renováveis, como o sol, vento, água, matéria orgânica e o calor da Terra.

Derivadas de recursos naturais que se reabastecem, as fontes de energia renovável são importantes para sistemas de energia limpos e sustentáveis. No entanto, enfrentam inúmeros desafios, incluindo disponibilidade irregular, altos custos iniciais, limitações geográficas e extensas exigências de espaço.

É aqui que o hidrogênio entra em cena. A demanda global por hidrogênio subiu para 97 milhões de toneladas (Mt) em 2023, um aumento de 2,5% em relação ao ano anterior. 

O Papel do Hidrogênio na Transição para Energia Limpa

O elemento mais leve do universo, o hidrogênio, surgiu como uma solução promissora para alcançar um ecossistema energético mais sustentável devido à sua flexibilidade e à capacidade de armazenar uma quantidade significativa de energia em relação ao seu peso.

Não é uma fonte primária como o sol, mas sim uma secundária, pois deve ser produzido a partir de outras matérias‑primas como água, gás natural ou biomassa.

Quando produzido usando combustíveis fósseis como o gás natural (que é atualmente o método mais comum), o hidrogênio não é energia limpa, pois gera emissões anuais significativas de CO₂.

No entanto, quando usado em uma célula de combustível, o hidrogênio produz apenas vapor d’água como subproduto, tornando‑o um combustível limpo.

Como um portador de energia versátil, o hidrogênio pode ajudar a enfrentar vários desafios energéticos críticos. Ele pode apoiar a integração de renováveis ao sistema elétrico armazenando energia por semanas ou até meses.

O hidrogênio de baixas emissões produzido com energia nuclear ou renovável, ou combustíveis fósseis usando captura de carbono, pode, por sua vez, ajudar a descarbonizar uma variedade de setores. Indústrias pesadas e transporte de longa distância, onde a redução de emissões é particularmente desafiadora, podem se beneficiar muito dele. No entanto, essa produção de hidrogênio ainda desempenha um papel marginal, representando menos de 1% em 2023.

O hidrogênio pode realmente ser derivado de diferentes tecnologias. Um dos métodos mais eficientes para produzir hidrogênio sustentável é a eletrólise da água. Nessa eletrólise intensiva em energia, a eletricidade é usada para dividir a água em hidrogênio e oxigênio. A tecnologia está bem desenvolvida e disponível comercialmente, embora sua eficiência energética estimada seja de cerca de 52%.

Outra abordagem é a plasmólise, que demonstrou rendimento energético comparável à eletrólise, com a vantagem adicional de consumo reduzido de energia, custo principal mais baixo e tamanho de equipamento menor. Avanços recentes em microfluídica e microplasma tornaram a produção de hidrogênio por plasmólise de vapor d’água lucrativa em termos de eficiência energética.

Outras formas de derivar hidrogênio para eletricidade incluem fotocatálise, biohidrogênio e processos termoquímicos.

Deslize para rolar →

Embora a tecnologia do hidrogênio seja promissora, seu uso generalizado ainda enfrenta dificuldades em termos de custo de produção, eficiência e sustentabilidade ambiental geral. Dada a necessidade de fontes de energia mais limpas, porém, pesquisadores em todo o mundo estão constantemente buscando resolver esses problemas com novos materiais e tecnologias melhores.

Inovações em Catalisadores que Impulsionam a Eficiência do Hidrogênio

À medida que as tecnologias de hidrogênio avançam do conceito à comercialização, um dos principais desafios está nos materiais que tornam esses sistemas eficientes e escaláveis. Para enfrentar isso, os cientistas estão trabalhando em várias abordagens.

Por exemplo, um estudo da sede da Academia Chinesa de Ciências, publicado este mês na Nature, introduziu um pequeno catalisador de ferro como alternativa ao platina em células de combustível de membrana de troca protônica (PEMFCs), com potencial para transformar o futuro da energia limpa.

PEMFCs são dispositivos de energia limpa que produzem eletricidade a partir de hidrogênio e oxigênio, com água como único subproduto. Mas dependem fortemente de platina escassa e cara como catalisador. Portanto, para ajudar na sua adoção generalizada, os pesquisadores desenvolveram um catalisador à base de ferro de alto desempenho para essas células de combustível.

Com seu design inteligente de “ativação interna, proteção externa”, o novo catalisador pode alcançar desempenho excelente enquanto reduz subprodutos nocivos.

Embora os catalisadores Fe/N–C estejam entre as alternativas mais promissoras aos catalisadores de metais do grupo da platina, sua atividade e durabilidade não atendem aos critérios de desempenho. Portanto, a equipe projetou e desenvolveu um novo tipo de catalisador Fe/N–C composto por inúmeras nanoprotrusões distribuídas em camadas de carbono 2D com sítios de átomos de Fe únicos incorporados na superfície curva interna das nanoprotrusões.

Como resultado, o novo catalisador conseguiu oferecer um dos melhores desempenhos de PEMFC sem metais do grupo da platina, mantendo 86% de atividade mesmo após mais de 300 horas de operação contínua.

Outra tecnologia chave para produzir hidrogênio de forma neutra em clima através da eletrólise da água é a Eletrólise de Água com Membrana de Troca de Prótons (PEM‑WE).

Para acelerar a reação desejada, os eletrodos são revestidos com eletrocatalisadores especiais. Para o ânodo, catalisadores à base de irídio são comumente usados, especialmente para a reação de evolução de oxigênio (OER) em meio ácido.

O OER é a etapa de produção de oxigênio do processo de divisão da água que gera energia de hidrogênio limpa, mas permanece desafiador e ineficiente. Essa reação é mais eficaz quando catalisadores à base de irídio são empregados.

Descoberto em 1803, o irídio não ocorre em forma pura na natureza, mas é recuperado comercialmente como subproduto da produção de platina, paládio, níquel ou cobre.

O irídio é um metal denso e duro que permanece inalterado por ar, água e ácidos. Por causa dessas propriedades, ele é usado em velas de ignição, equipamentos científicos, catalisadores, tintas condutoras para eletrônicos e tratamento de câncer.

O metal raramente é usado em forma pura devido a dificuldades na preparação e fabricação; ao contrário, ele é usado na forma de ligas de platina.

No entanto, o irídio (Ir) é um metal de alto valor e um dos elementos naturais mais raros na crosta terrestre. Minérios contendo irídio são encontrados na África do Sul, Estados Unidos (Alasca), Brasil, Rússia, Mianmar e Austrália.

Sua escassez, combinada com sua alta demanda de indústrias como a eletrônica, o torna muito caro. O irídio é na verdade mais valioso que o ouro, custando quase US$ 5.000 por onça.

Portanto, faz sentido que os cientistas estejam constantemente buscando novos metais para substituir o irídio a fim de ajudar na adoção em larga escala de PEMWEs. A descoberta de alternativas sem Ir, porém, não é simples e permanece lenta devido ao vasto espaço de design envolvido.

Há alguns meses, um estudo do Advanced Institute for Materials Research (AIMR) da Universidade de Tohoku detalhou um novo catalisador cristalino poroso como solução eficiente e durável para produção limpa de hidrogênio por eletrólise da água. 

O material neste estudo é Co₃O₄ mesoporoso monocristalino dopado com irídio disperso atômicamente para o OER ácido.

A estrutura espinélica mesoporosa desempenha um papel fundamental, pois permite alta carga de Ir (13,8% em peso) sem a formação de grandes aglomerados de irídio. Além de fornecer espaço para a carga de Ir, a arquitetura também ajuda a criar um ambiente estável.

O catalisador manteve seu desempenho por mais de 100 horas com apenas 248 mV de sobrepotencial (η₁₀).

Em outro estudo recente, pesquisadores criaram uma “megalibrary” para explorar a atividade catalítica de milhões de nanostruturas distintas compostas por alguns metais chave, ajudando a buscar alternativas aos catalisadores de Ir para OER em escala e velocidade.

Clique aqui para aprender como catalisadores não nobres abrem caminho para hidrogênio acessível.

Descoberta Rápida de Catalisadores com Nanotecnologia

O último estudo realmente encontrou um novo catalisador para produção de combustível de hidrogênio que é ao mesmo tempo econômico e eficiente em energia.

Publicado este mês no Journal of the American Chemical Society (JACS), a descoberta do catalisador foi feita usando uma nova megalibrary de nanopartículas, e ele iguala ou supera o desempenho do irídio na produção de combustível de hidrogênio, a uma fração do custo.

Por muito tempo, os pesquisadores têm buscado alternativas ao irídio. Mas o que levou décadas foi descoberto em uma única tarde usando a poderosa nova ferramenta desenvolvida por cientistas da Northwestern University.

Esta ferramenta recém‑inventada chama‑se megalibrary, que é a primeira “fábrica de dados” de nanomateriais do mundo. Cada uma dessas bibliotecas contém milhões de nanopartículas distintas em um pequeno chip.

A tecnologia foi então usada, em colaboração com pesquisadores do Toyota Research Institute (TRI), para encontrar catalisadores comercialmente relevantes para produção de hidrogênio. O material foi posteriormente ampliado e demonstrado funcionando dentro de um dispositivo. Tudo isso foi feito em tempo recorde.

Para descobrir novos catalisadores, os pesquisadores usaram quatro metais baratos, abundantes, que são todos conhecidos por seu desempenho catalítico. Esses metais são:

1. Cobalto (Co)
2. Cromo (Cr)
3. Manganês (Mn)
4. Rutênio (Ru)

A megalibrary foi então usada para rastrear rapidamente vastas combinações desses metais a fim de encontrar um material inovador cujo desempenho pode igualar o do irídio.

A equipe encontrou um novo material que era comparável aos materiais comerciais à base de irídio em desempenho de laboratório. Em alguns casos, o desempenho até os superou a uma fração do custo.

Essa descoberta poderia potencialmente tornar o hidrogênio verde acessível.

Além disso, o material inovador demonstra a eficácia da abordagem megalibrary, que pode mudar a forma como os pesquisadores descobrem novos materiais para várias aplicações.

De acordo com o autor sênior do estudo, Chad A. Mirkin, que é o principal inventor da plataforma megalibrary e quem realmente introduziu as megalibraries há cerca de uma década, em 2016:

«Desencadeamos, sem dúvida, a ferramenta de síntese mais poderosa do mundo, que permite buscar entre o enorme número de combinações disponíveis para químicos e cientistas de materiais a fim de encontrar materiais que importam.»

No projeto megalibrary, a equipe “direcionou essa capacidade para um grande problema que o setor energético enfrenta.” O problema, como apontou o pioneiro da nanotecnologia Mirkin, era:

«Como encontramos um material tão bom quanto o irídio, mas mais abundante, mais disponível e muito mais barato? Essa nova ferramenta nos permitiu encontrar uma alternativa promissora e encontrá‑la rapidamente.»

Mirkin é Professor de Química no Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e professor de engenharia química e biológica, engenharia biomédica e ciência e engenharia de materiais na McCormick School of Engineering.

O hidrogênio verde é uma necessidade crítica do mundo, mas está limitado por sua dependência de um dos materiais mais raros para funcionar.

«Não há irídio suficiente no mundo para atender a todas as nossas necessidades projetadas.»

– Ted Sargent, Professor de Química no Weinberg e professor de engenharia elétrica e de computação na McCormick

Sargent e Mirkin trabalharam juntos no projeto.

«Ao considerarmos a divisão da água para gerar formas alternativas de energia, não há irídio suficiente do ponto de vista de suprimento.»

– Sargent

Descobrir novos candidatos para substituir esse metal foi a aplicação perfeita para a nova ferramenta, que pode revolucionar o lento e assustador processo tradicional de descoberta de materiais. Ao contrário do método tradicional de tentativa e erro, as novas megalibraries permitem a identificação rápida de composições ótimas.

Cada megalibrary foi criada com um conjunto de centenas de milhares de pequenas pontas em forma de pirâmide para imprimir ‘pontos’ individuais em uma superfície. Cada ponto apresenta uma mistura cuidadosamente projetada de sais metálicos que, ao serem aquecidos, são reduzidos para formar nanopartículas únicas, cada uma com tamanho e composição precisos.

De acordo com Mirkin:

«Você pode pensar em cada ponta como uma pessoa minúscula em um pequeno laboratório. Em vez de ter uma pessoa minúscula fazendo uma estrutura de cada vez, você tem milhões de pessoas. Portanto, basicamente você tem um exército completo de pesquisadores implantado em um chip.»

No total, o chip continha 156 milhões de partículas, cada uma formada a partir de diferentes combinações de Co, Cr, Mn e Ru. Um scanner robótico então analisou apenas o quão bem elas podem realizar uma Reação de Evolução de Oxigênio (OER).

Essa capacidade de rastrear partículas quanto ao seu desempenho final representa uma grande inovação.

«Pela primeira vez, não só conseguimos rastrear rapidamente catalisadores, como também vimos os melhores desempenhando bem em um cenário ampliado.»

– Joseph Montoya, coautor do estudo e cientista sênior de pesquisa no TRI

Com base na avaliação, os pesquisadores selecionaram 40 candidatos de melhor desempenho, variando de baixa a alta atividade, para testes adicionais em laboratório. Os óxidos RuCoMnCr foram escalados para níveis de miligrama antes de serem estudados quanto ao seu desempenho catalítico.

Uma composição se destacou no final. Essa combinação precisa dos quatro metais foi: óxido Ru52Co33Mn9Cr6.

Assim, a equipe conseguiu obter um catalisador multimetálico, que na verdade é conhecido por ser mais ativo que seus equivalentes de metal único.

«Nosso catalisador realmente tem uma atividade um pouco maior que o irídio e excelente estabilidade», disse Mirkin. «Isso é raro porque, muitas vezes, o rutênio é menos estável. Mas os outros elementos na composição estabilizam o rutênio.»

O catalisador gerou uma tensão de 1,58 V a 1 A/cm² e 1,77 V a 3 A/cm².

Quanto ao desempenho a longo prazo, este novo catalisador operou por mais de 1 000 horas com alta eficiência e notável estabilidade em um ambiente ácido agressivo, custando cerca de um décimo sexto do irídio.

«Há muito trabalho a fazer para tornar isso comercialmente viável, mas é muito empolgante que possamos identificar catalisadores promissores tão rapidamente – não apenas em escala de laboratório, mas para dispositivos.»

– Montoya

No processo de encontrar um novo catalisador, a equipe criou enormes conjuntos de dados de materiais de alta qualidade, que podem abrir caminho para aprendizado de máquina e IA projetarem a próxima geração de novos materiais.

TRI, Northwestern e sua spin‑off Mattiq já desenvolveram um algoritmo para buscar nas megalibraries em velocidades impressionantes. 

Ainda assim, isso é apenas o começo. Assim como a IA, a abordagem megalibrary pode escalar além da descoberta acelerada de catalisadores para conversão de energia, transformando a descoberta de materiais para quase qualquer tecnologia, como componentes ópticos avançados, dispositivos biomédicos, baterias e muito mais.

«Vamos procurar todo tipo de material para baterias, fusão e mais», disse Mirkin. «O mundo não usa os melhores materiais para suas necessidades. As pessoas encontraram os melhores materiais em determinado momento, dadas as ferramentas disponíveis. O problema é que agora temos uma enorme infraestrutura construída em torno desses materiais, e estamos presos a eles. Queremos virar isso de cabeça para baixo. É hora de realmente encontrar os melhores materiais para cada necessidade – sem compromissos.»

Investindo no Poder do Hidrogênio

Bloom Energy Corp (BE ) está envolvida na geração de energia por células de combustível estacionárias. Ela fornece dois produtos comercialmente: o Bloom Electrolyzer para produção de hidrogênio e o Bloom Energy Server para geração de eletricidade.

A empresa está produzindo hidrogênio a partir do maior eletrólito do mundo, que está instalado no Ames Research Center da NASA, gerando cerca de 25% mais hidrogênio por megawatt do que eletrólitos comerciais como PEM ou alcalinos.

Até o momento, a Bloom Energy implantou 1,5 GW de energia de baixo carbono em mais de 1 200 instalações globalmente.

Com capitalização de mercado de US$ 12,38 bilhões, as ações da BE estão sendo negociadas a US$ 53,15, um aumento de 138,36% no ano. Recentemente, as ações da empresa ultrapassaram US$ 55, atingindo novos máximos graças ao maior interesse de hyperscalers e centros de dados. Além disso, em julho, a empresa garantiu um acordo importante com a Oracle e insinuou mais acordos desse tipo no futuro.

Ela tem um EPS (TTM) de 0,11 e um P/E (TTM) de 495,23.