Novos caminhos para uma produção de hidrogênio mais eficiente descobertos

Finding The Right Hydrogen Catalyst

Em teoria, o hidrogênio poderia ser um combustível perfeito para armazenar energia e alimentar aplicações difíceis de eletrificar. Isso ocorre porque ele apresenta algumas características quase ideais:

• O único subproduto de sua combustão é a água
  • O mesmo vale quando ele é usado para produzir eletricidade em células a combustível.
• Ele pode queimar em temperaturas muito elevadas, tornando-se uma boa alternativa ao gás natural na metalurgia, em processos químicos e em outras aplicações.
• Sua produção requer apenas água como recurso.
• O próprio hidrogênio não é tóxico nem poluente.

No entanto, o avanço de uma economia baseada no hidrogênio tem sido prejudicado pela dificuldade de produzi-lo de forma economicamente viável. Isso acontece porque a maior parte do hidrogênio verde, produzido com energia renovável, é obtida por eletrólise, um processo que atualmente depende sobretudo de catalisadores caros como platina, rutênio ou irídio, todos metais muito raros e dispendiosos.

Enquanto não existir um método melhor para produzir hidrogênio, é improvável que ele substitua os combustíveis fósseis em grande escala.

Felizmente, isso está mudando rapidamente. Já abordamos algumas possibilidades, como transformar resíduos plásticos em hidrogênio, usar nanofios de níquel como catalisador alternativo ou empregar metais de sucata de titânio e níquel gerados na fabricação de peças metálicas. Pesquisadores agora acrescentam opções mais recentes.

A primeira é a criação de catalisadores auto-otimizáveis¹ por pesquisadores da Johannes Gutenberg Universität e da Universidade Técnica de Darmstadt, do Instituto Max Planck de Pesquisa de Polímeros, do Instituto de Tecnologia de Harbin e da Universidade de Shandong. O estudo foi publicado na Angewandte Chemie com o título “Catalisadores eletrocatalíticos de óxido de cobalto e tungstênio auto-otimizáveis para uma evolução aprimorada de oxigênio em meio alcalino”.

A segunda é a invenção de um método para transformar lodo de esgoto em hidrogênio verde e ração animal², desenvolvido por pesquisadores da Universidade Tecnológica de Nanyang, da Universidade Monash e da Universidade de Hong Kong. O trabalho foi publicado na Nature Water com o título “Eletroreforma de lodo de esgoto movida a energia solar, associada ao direcionamento biológico para coprodução de alimento verde e hidrogênio”.

Fixing Hydrogen Catalysts

Um problema recorrente de todos os catalisadores produtores de hidrogênio é que eles se degradam com o tempo. Isso pode ocorrer devido à formação de depósitos sobre os metais reativos ou porque a própria camada metálica se deteriora lentamente e perde componentes a cada ciclo de catálise.

Isso é especialmente problemático para os caros catalisadores do grupo da platina, mas também afeta outros tipos de catalisadores metálicos.

Por isso, é relevante que os pesquisadores alemães e chineses do primeiro estudo tenham observado um comportamento de auto-otimização em seus novos catalisadores.

“O que torna nosso catalisador tão singular é que ele melhora seu desempenho com o tempo, enquanto catalisadores convencionais mantêm uma taxa constante ou até perdem parte do desempenho por não serem suficientemente duráveis.”
Dr. Dandan Gao – Líder de Pesquisa na Johannes Gutenberg University Mainz

Cobalt-Tungsten Catalysis

Solving Hydrogen Production Chokepoint

Os pesquisadores concentraram-se nos chamados óxidos de metais de transição 3d a 5d, formulados como metais mistos.

Eles são capazes de realizar uma reação química chamada reação de evolução de oxigênio (OER), que corresponde à metade da reação que ocorre durante a eletrólise da água em hidrogênio nos dois projetos de eletrolisadores mais comuns, AEM e PEM.

Fonte: SpectroInlet

“Há duas reações durante a divisão da água. A reação de evolução de hidrogênio (HER), que produz hidrogênio gasoso, e a reação de evolução de oxigênio (OER), que produz oxigênio gasoso. A OER é o gargalo de toda a reação. É por isso que estamos tão empenhados em desenvolver um catalisador capaz de promover essa meia-reação.”

Dr. Dandan Gao – Líder de Pesquisa na Johannes Gutenberg University Mainz

No entanto, esses novos catalisadores potenciais ainda são pouco compreendidos. Sabe-se pouco sobre o que acontece exatamente no nível atômico durante a reação, ou mesmo sobre a forma eletroquímica assumida pelo metal.

Essa falta de compreensão é um grande obstáculo ao desenvolvimento de uma solução comercialmente viável, pois também limita a capacidade de fixar os catalisadores a um substrato estável.

One-Step Deposit Method

Os pesquisadores usaram um substrato em forma de microflor de óxido de cobre (L−CuO), com diâmetro de 3 a 5 μm, desenvolvido anteriormente no laboratório em 2020.

Depois, utilizaram um método de deposição química para criar uma camada de liga de cobalto e tungstênio na superfície do substrato de cobre.

Fonte: Angewandte Chemie

Análises posteriores revelaram as complexas estruturas microscópicas do material, por meio de espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS), espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier com reflexão total atenuada (ATR-FTIR) e medições de espectroscopia Raman.

As análises também confirmaram que o catalisador está firmemente ligado ao substrato de cobre.

“O desenvolvimento de abordagens de deposição viáveis e escaláveis é de enorme importância tecnológica, econômica e ecológica, pois permite a fixação estável de pré-catalisadores de OER em substratos promissores selecionados, com elevada integridade mecânica.”

Source: Angewandte Chemie

Self-Optimizing Catalyst

Com essas observações extremamente detalhadas, os cientistas descobriram que os íons de cobalto passam da forma Co²⁺ para Co³⁺. Ao mesmo tempo, os íons de tungstênio passam de W⁵⁺ para W⁶⁺.

Como resultado, a parte eletroquimicamente ativa do catalisador é transferida, ao longo do tempo, do sítio ativo de tungstênio para o sítio ativo de cobalto.

Fonte: Angewandte Chemie

O catalisador também muda quanto à hidrofilicidade superficial, ou seja, sua capacidade de atrair água, que é o insumo da geração de hidrogênio. Com o tempo, ele se torna mais hidrofílico.

“De modo geral, registramos sobretensões claramente menores e densidades de corrente maiores, acompanhadas por um aumento substancial da cinética da OER. Tudo isso é uma boa notícia para a produção de hidrogênio no futuro.”

Dr. Dandan Gao – Líder de Pesquisa na Johannes Gutenberg University Mainz

Este deve ser um passo importante para tornar os óxidos de metais de transição catalisadores viáveis para a produção de hidrogênio.

O trabalho não apenas demonstra que a equipe desenvolveu um substrato de cobre viável para o catalisador, mas também que esses catalisadores podem ser extremamente estáveis e até melhorar com o tempo.

Ele também fornece a base teórica para avaliar o potencial de outras combinações de metais de transição que ainda não são tão bem compreendidas quanto a combinação cobalto-tungstênio.

No Need For Catalysis?

Dealing with Cities’ Sludge

Enquanto isso, a produção de hidrogênio também pode começar a aproveitar os enormes fluxos de resíduos gerados por nossas cidades. Esse é o conceito explorado por pesquisadores de Singapura, China e Austrália.

Eles se concentraram no lodo de esgoto, um subproduto tóxico da limpeza de águas residuais. Esses lodos são notoriamente difíceis de processar e descartar por causa de sua estrutura e composição complexas e de contaminantes como metais pesados e patógenos.

Mais de 100 milhões de toneladas de lodo de esgoto são geradas no mundo todos os anos. Métodos comuns de descarte, como incineração ou aterro, são demorados, ineficientes em termos energéticos e contribuem para a poluição ambiental.

Em vez disso, o material pode se tornar simultaneamente uma fonte de ração animal e hidrogênio.

Transformando lodo em recursos

Os pesquisadores desenvolveram um processo de três etapas para tratar o lodo.

Primeiro, eles decompõem mecanicamente o lodo até transformá-lo em líquido. Depois, removem os metais pesados do material orgânico por meio de um tratamento químico.

Em seguida, usam um processo eletroquímico com eletrodos especializados para transformar os materiais orgânicos em produtos valiosos: ácido acético e hidrogênio gasoso.

Por fim, alimentam uma cultura de bactérias capazes de aproveitar a luz, as cianobactérias, para converter o conteúdo orgânico restante em proteínas unicelulares apropriadas para ração animal.

A segunda e a terceira etapas são alimentadas pela luz solar, diretamente no caso das bactérias ou indiretamente por painéis solares no caso do tratamento eletroquímico.

Isso torna todo o processo de reciclagem do lodo totalmente livre de carbono e, na prática, negativo em carbono, pois evita as emissões do processamento convencional e substitui fontes fósseis de ácido acético, hidrogênio e ração animal.

O hidrogênio pode ser usado como fonte de energia limpa, enquanto o ácido acético é um ingrediente fundamental para as indústrias alimentícia e farmacêutica.

Fonte: Nature Water

Alta eficiência

O método demonstrou recuperar 91,4% do carbono orgânico do lodo de esgoto e converter 63% desse carbono em proteína unicelular.

Esse resultado é muito superior ao da digestão anaeróbica tradicional, que normalmente recupera e converte cerca de 50% dos materiais orgânicos do lodo de esgoto.

No total, o método reduz as emissões de carbono em 99,5% e o consumo de energia em 99,3% em comparação com processos tradicionais.

“Esperamos que o método proposto demonstre a viabilidade de administrar resíduos de forma sustentável e mude a maneira como o lodo de esgoto é visto: de resíduo para um recurso valioso que sustenta energia limpa e produção sustentável de alimentos.”

Dr Zhao Hu, pesquisador na Nanyang Technological University

Além da elevada eficiência, o processo também purifica o lodo dos metais pesados que costumam contaminar aterros quando se usam os métodos convencionais de descarte.

O novo método indica que é possível revolucionar o tratamento de águas residuais no mundo, removendo metais pesados, talvez para reciclagem posterior, e produzindo simultaneamente ácido acético, hidrogênio e ração animal úteis.

Conclusão

Uma economia do hidrogênio provavelmente terá uma rede complexa de diferentes fontes desse gás.

Uma delas deverá usar catalisadores avançados para realizar a eletrólise da água e produzir hidrogênio sem metais raros caros. Isso reduziria suficientemente o custo para torná-lo um concorrente economicamente viável dos combustíveis fósseis e de outras alternativas verdes.

Outra fonte provável será o melhor aproveitamento dos milhões de toneladas de resíduos gerados pela agricultura, águas residuais e outras atividades humanas. Como esses materiais precisam ser processados de qualquer forma, é muito melhor fazê-lo de modo que poluentes, como metais pesados, sejam removidos e novos produtos úteis sejam criados.

E, se isso puder ser feito usando apenas energia solar, melhor ainda.

Empresa de catálise com tungstênio

O tungstênio vem se destacando não apenas como metal extremamente resistente, usado na indústria pesada e no setor de defesa, mas também como um poderoso catalisador útil para a indústria química e para a geração de hidrogênio.

Ele pode até se tornar um supercondutor potente de alta temperatura quando entrelaçado na configuração molecular correta.

Você pode ler uma visão geral técnica e de investimento sobre esse recurso em “Tungstênio – O metal secreto da alta tecnologia”.

O tungstênio também tem uma cadeia de suprimentos quase totalmente controlada pela China, com uma exceção: a Almonty Industries (ALM ).

Almonty Industries

A Almonty é uma mineradora de tungstênio cuja produção atual vem principalmente de uma mina em Portugal, em operação há 125 anos.

A empresa trabalha na expansão da mina portuguesa e possui depósitos ainda não desenvolvidos na Espanha.

Fonte: Almonty

O projeto mais importante da empresa é o desenvolvimento de uma nova mina em Sangdong, na Coreia do Sul. Ela contém mais recursos inferidos do que todos os outros depósitos da empresa somados.

Fonte: Almonty

Como uma das únicas mineradoras de tungstênio em atividade e produção nos países ocidentais, a Almonty é uma fornecedora estratégica importante para o setor de defesa. Por isso, ajuda a reduzir a dependência do abastecimento chinês.

A localização da mina de Sangdong faz dela uma fornecedora ideal para a indústria de defesa. A Coreia do Sul tornou-se um novo gigante da produção em massa de equipamentos militares de menor complexidade, como tanques, artilharia e munições, em comparação com caças e porta-aviões, que exigem menos tungstênio.

Enquanto a China se prepara para abrir uma enorme mina de tungstênio no Cazaquistão, a Almonty está em posição de “mudar substancialmente a política envolvida na garantia do tungstênio” quando a mina de Sangdong, do Almonty Korea Tungsten Project, entrar em operação dentro de alguns meses. Quando a produção começar, será uma das maiores minas de tungstênio do mundo e responderá por 30% do fornecimento não chinês.

Fonte: Lewis Black, diretor, presidente e CEO da Almonty Industries

A Almonty deverá começar a produzir tungstênio na mina coreana entre o início e meados de 2025.

Devido à sua posição estratégica como praticamente a única grande fornecedora ocidental, a Almonty recebeu da Plansee a oferta de um preço garantido. A Plansee fabrica metais de alto desempenho, é uma das maiores clientes da Almonty e detém 15% da empresa.

O preço mínimo garantido foi de US$ 235 por MTU, sem limite superior. Como a mina de Sangdong pretende alcançar custos em dinheiro de US$ 110 por MTU, isso praticamente garante uma margem de lucro elevada para o projeto.

Com uma coincidência quase perfeita entre a próxima abertura de Sangdong e uma nova guerra comercial entre os Estados Unidos de Trump e a China, as ações reagiram fortemente e subiram 40% em apenas dois dias após o anúncio das restrições chinesas à exportação de tungstênio.

À medida que o tungstênio se torna mais importante para aplicações de alta tecnologia e as tensões geopolíticas permanecem elevadas, um fornecimento seguro e não chinês provavelmente passará a obter um prêmio estável, tendo a Almonty como uma das maiores beneficiárias.

Referência do Estudo:

^{1. Christean Nickel et al. (2025)  Catalisadores eletrocatálitos de óxido de cobalto e tungstênio auto‑otimizantes para evolução de oxigênio aprimorada em meio alcalino. Angewandte Chemie. 05 fevereiro de 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202424074} 

 ^{2. Hu Zhao, et al. (2024) Eletrorreforma de lodo de esgoto impulsionada por energia solar acoplada ao funilamento biológico para cogeração de alimento verde e hidrogênio. Nature Water. Volume 2, pages1102–1115. https://doi.org/10.1038/s44221-024-00329-z}