Catalisador de Hidrogênio sem Platina: Um Salto à Frente na Tecnologia de Energia Limpa

Uma transição para energia limpa está acontecendo em todo o mundo à medida que a crise climática crescente cria uma necessidade urgente de descarbonizar os sistemas energéticos. 

Ao contrário dos combustíveis fósseis como carvão e petróleo, as fontes de energia limpa não liberam grandes quantidades de gases de efeito estufa (GEE) como metano, CO2, óxido nitroso ou outros poluentes durante sua produção, contribuindo para um ambiente mais saudável.

Interessantemente, a energia limpa pode vir de fontes renováveis como o sol, que são constantemente reabastecidas e disponíveis em todo o planeta, bem como de fontes não renováveis como a energia nuclear, que utiliza recursos finitos (urânio).

Em comparação com seus equivalentes de combustíveis fósseis, as fontes de energia limpa também têm custos de manutenção e operação mais baixos, o que permite preços mais estáveis para os consumidores.

Com isso, a indústria de energia limpa está crescendo rapidamente, com investimentos em tecnologias cleantech que reduzem o impacto ambiental e promovem a sustentabilidade, atingindo um recorde de US$ 71 bilhões no terceiro trimestre de 2024, segundo a Deloitte. 

Agora, quando se trata de fontes de energia limpa, aqui estão as mais proeminentes:

1. Solar – A radiação solar é utilizada aqui por meio de tecnologias como painéis fotovoltaicos (PV) que convertem a luz do sol diretamente em eletricidade. Em 2024, a capacidade solar global aumentou significativamente, adicionando notáveis 593 GW de capacidade solar PV. 
2. Wind – A energia cinética do vento é convertida em eletricidade por turbinas. Dependendo da localização das turbinas, pode ser de dois tipos: energia eólica onshore, onde os parques eólicos estão localizados em terra, e energia eólica offshore, onde os parques eólicos estão localizados no mar.
3. Water – A energia cinética da água corrente é usada para gerar eletricidade, principalmente através de barragens e turbinas. A energia hidrelétrica contribui com cerca de 15% da geração total de eletricidade. 
4. Geothermal – Este tipo de energia é aproveitado através do calor interno da Terra e obtido por usinas geotérmicas localizadas em reservatórios subterrâneos.  
5. Biomass – Aqui, matéria orgânica como resíduos agrícolas e florestais é aproveitada. 
6. Nuclear  – É a energia de um átomo com potência obtida a partir da fissão nuclear e fusão nuclear. Segundo a pesquisa de energia e utilidades da Deloitte, tecnologias nucleares avançadas desempenharão o papel mais importante em atender à crescente demanda de energia nos próximos anos.
7. Hydrogen – O hidrogênio é produzido a partir de vários recursos e, quando consumido em uma célula de combustível, produz apenas água. O Departamento de Energia dos EUA (DOE) destinou US$ 7 bilhões para desenvolver hubs de hidrogênio.

Hidrogênio como um Combustível Limpo e Poderoso

O primeiro elemento da tabela periódica, hidrogênio (H), é uma substância gasosa incolor, inodora, insípida, altamente combustível e não tóxica. Também é o elemento mais simples, mais leve e mais abundante.

Mas o que o torna extremamente atraente é o fato de que, quando queimado, o hidrogênio produz apenas vapor d’água. Quando produzido usando energia renovável, em particular, o hidrogênio verde pode ajudar a descarbonizar setores como transporte e geração de energia.

Em meio às crescentes necessidades energéticas da sociedade, o hidrogênio oferece uma fonte de energia limpa altamente eficiente que pode potencialmente ser produzida a partir de várias fontes. Na verdade, é um transportador de energia que pode ser usado para mover, armazenar e entregar energia produzida por outras fontes.

Agora, as formas mais comuns de produzir combustível de hidrogênio são:

1. Thermal Process – Produzido usando um processo de alta temperatura chamado reforma a vapor, o hidrogênio é gerado quando o vapor reage com combustíveis hidrocarbonetos como gás natural, diesel, carvão gasificado, biomassa gasificada e combustíveis líquidos renováveis.
2. Electrolytic Process – A água (H2O) é separada em oxigênio e hidrogênio usando uma corrente elétrica. O processo ocorre dentro de um eletrólito, onde a eletricidade passa pela água, fazendo as moléculas se separarem.
3. Solar-driven Process – A luz é usada para produzir hidrogênio e inclui diferentes abordagens, como fotobiológica, fotoeletroquímica e termquímica solar. 
4. Biological Process – O hidrogênio é produzido por meio de reações biológicas usando micróbios como bactérias e microalgas.

Agora, o hidrogênio tem um potencial muito alto para atender às necessidades de energia limpa da sociedade, mas o problema é que ainda existem desafios que precisam ser superados. Esses desafios incluem produção em massa, transporte e armazenamento. Além disso, a produção de hidrogênio precisa ser estável e barata.

A reação de evolução de hidrogênio (HER) é considerada o método de produção de hidrogênio mais ambientalmente amigável e sustentável. É uma reação catódica que envolve a eletrólise da água. 

Neste processo eletroquímico de divisão da água, metais como platina, níquel e outros metais de transição são usados como catalisadores que reduzem prótons a gás hidrogênio.

O problema aqui surge com o metal mais comumente usado como catalisador, a platina, que, embora ofereça desempenho catalítico altamente eficiente, enfrenta problemas de raridade e custo. Portanto, há um foco crescente em catalisadores alternativos para minimizar o consumo de metais preciosos.

O Papel da Platina na Produção de Hidrogênio Limpo

Um metal brilhante, de cor prata-branca que às vezes é confundido com prata, a platina (Pt) é fundamental para alcançar a meta de emissões líquidas zero. Este metal denso, maleável e lustroso é altamente inerte e resistente à corrosão, mesmo em altas temperaturas.

No entanto, é um metal extremamente raro, mais de 30 vezes mais raro que o ouro, ocorrendo em uma concentração de apenas 0,005 ppm na crosta terrestre. Como metal escasso, a platina é difícil e cara de minerar, o que resulta em um produto final mais caro.

O metal é principalmente extraído na África do Sul, que responde por mais de 70% do fornecimento global de platina, juntamente com Rússia, Zimbábue, Canadá e EUA.

Quanto aos casos de uso, a platina é usada para fabricar joias, mas, mais importante, é utilizada em componentes eletrônicos e conversores catalíticos para reduzir as emissões de transporte. Em 2022, cerca de 85 toneladas do metal foram usadas apenas para conversores catalíticos. Também está emergindo como um mineral crítico na transição energética global. 

O metal é particularmente valioso em eletrólitos, que são de vários tipos, mas os desenvolvedores de projetos de hidrogênio preferem a eletrólise de membrana de troca de prótons (PEM). Uma alternativa mais eficiente à eletrólise alcalina, os eletrólitos PEM usam platina para criar catalisadores de desempenho extremamente alto. 

A platina também é usada em células de combustível PEM, que operam como eletrólitos PEM, mas ao contrário. Em vez de separar hidrogênio e oxigênio, ela os combina usando platina como catalisador.

As células de combustível de hidrogênio são compostas por dois eletrodos — um ânodo (eletrodo negativo) e um cátodo (eletrodo positivo) com um eletrólito separando-os. Um catalisador, que é uma camada de metal como a platina, no ânodo divide as moléculas de hidrogênio em prótons e elétrons, que se movem em direção ao cátodo para criar um fluxo de eletricidade.

A excelente condutividade e estabilidade química da platina são o que a tornam tão eficiente como catalisador. Sua eficiência é fundamental para alcançar altas taxas de conversão de energia nas células de combustível, permitindo que elas concorram com fontes de energia tradicionais. 

À medida que a necessidade de descarbonização continua a crescer, a demanda por platina deve aumentar graças às tecnologias PEM baseadas em platina, que prometem alcançar 11% da redução global de emissões de dióxido de carbono.

Portanto, há um foco crescente neste metal em todo o mundo. Nos EUA, o Inflation Reduction Act inclui um benefício fiscal para hidrogênio de baixo carbono com o objetivo de acelerar a produção de hidrogênio limpo e a adoção de veículos elétricos de célula de combustível. O REPowerEU da Comissão Europeia, por sua vez, pretende dobrar sua capacidade de hidrogênio limpo para 80 GW até 2030.

Esse impulso global, de acordo com o World Platinum Investment Council, pode tornar a produção de hidrogênio limpo a maior fonte (35%) da demanda por platina até 2040.

Além da dinâmica desequilibrada de demanda e oferta, o uso de metais preciosos como a platina traz desafios adicionais, como altos custos, potencial degradação e preocupações ambientais. Como resultado, os pesquisadores têm trabalhado continuamente em maneiras de remover a platina como catalisador de hidrogênio e encontrar alternativas melhores.

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Fabricando Catalisadores sem Platina

Na busca por hidrogênio sem platina, pesquisadores da UNSW Sydney estão realizando um estudo para abordar os problemas associados ao uso do metal precioso em células de combustível de hidrogênio. 

Os pesquisadores desenvolveram uma nova técnica para entender por que alguns materiais catalíticos têm menos estabilidade que a Pt, o que ajudará outros pesquisadores a desenvolver novos materiais e aprimorar as perspectivas futuras de catalisadores sem platina em células de combustível de hidrogênio.

As técnicas desenvolvidas revelaram que até 75% dos sítios ativos à base de ferro na célula de combustível tornaram-se inativos nas primeiras 10 horas de operação. Isso se deveu principalmente à perda de sítios ativos de ferro, com a corrosão do carbono sendo outra razão. 

Em um estudo separado ¹, pesquisadores da University of Wisconsin-Madison, Cornell University e Wuhan University descobriram uma nova forma de catalisar a reação para fabricar células de combustível de hidrogênio.

Os pesquisadores usaram níquel, um metal barato e não precioso, tanto para os eletrodos do cátodo quanto do ânodo da célula de combustível. O electrocatalisador à base de níquel foi projetado com uma camada de 2 nanômetros feita de carbono dopado com nitrogênio.

Incorporar átomos individuais de níquel em um revestimento semelhante ao grafeno feito de átomos de carbono e nitrogênio os tornou resistentes à oxidação e ligou átomos de hidrogênio com a força ideal necessária para uma reação eficaz de oxidação de hidrogênio (HOR).

Assim, com um catalisador de ânodo de um núcleo sólido de níquel encapsulado em uma camada de carbono e um cátodo de cobalto-manganês, os pesquisadores criaram uma célula de combustível de hidrogênio livre de qualquer metal precioso com uma saída superior a 200 mW/cm².

Em 2020, cientistas do Argonne National Laboratory, do DOE, encontraram e desenvolveram o catalisador sem platina mais promissor para células de combustível de hidrogênio que dependem da reação de redução de oxigênio (ORR). Ele foi baseado em ferro, nitrogênio e carbono, que foram misturados e aquecidos entre 900 e 1100 graus Celsius em pirólise.

Em seguida, os átomos de ferro do material foram ligados a átomos de nitrogênio e incorporados ao grafeno. Cada átomo de ferro constitui um sítio onde a ORR pode ocorrer, tornando o eletrodo mais eficiente.

Em meio a esse interesse crescente em reduzir a dependência da cara platina e melhorar a eficiência e o custo-benefício das células de combustível e eletrólise de hidrogênio, os cientistas agora desenvolveram um catalisador de nanosheet à base de paládio cujo desempenho é comparável ao da platina na produção de hidrogênio.

Paládio como Alternativa à Platina para Hidrogênio Acessível

O estudo mais recente² veio dos pesquisadores da Tokyo University of Science (TUS) que desenvolveram um novo catalisador de evolução de hidrogênio, nanosheets de coordenação bis(diimino)paládio (PdDI).

O paládio é um metal brilhante, prateado, e um dos metais do grupo da platina mais abundantes, com densidade muito menor que a da platina.

O uso de paládio, que oferece eficiência semelhante à da platina a uma fração do custo, abre caminho para uma produção de hidrogênio acessível e sustentável, acelerando a revolução da energia limpa. 

Liderado pelo Professor Hiroshi Nishihara e pelo Dr. Hiroaki Maeda da TUS em parceria com pesquisadores de outros institutos, o estudo marca um avanço na tecnologia de reação de evolução de hidrogênio (HER). 

Os eletrodos do catalisador HER facilitam a conversão de H, que é produzido na superfície do eletrodo durante a divisão da água, em gás hidrogênio (H2). Para superar as limitações da Pt que restringem sua aplicação em larga escala como catalisador HER, a equipe oferece uma alternativa altamente eficiente aos catalisadores de platina usando um processo de síntese simples.

A equipe criou nanosheets à base de paládio que têm a capacidade de alcançar atividade catalítica elevada com uso reduzido de metal precioso, o que diminui significativamente os custos de produção de H2.

Como o Dr. Maeda observou, “desenvolver eletrocatalisadores HER eficientes é fundamental para a produção sustentável de H2” e “Nanosheets de coordenação bis(diimino)metal, com sua alta condutividade, grande área de superfície e eficiente transferência de elétrons, são candidatos promissores.” Além dessas propriedades, a disposição esparsa do metal nas nanosheets reduz o uso de material. 

Os nanosheets PdDI, a saber E-PdDI e C-PdDI, foram desenvolvidos com sucesso usando dois métodos diferentes:

1. Oxidação eletroquímica
2. Síntese interfacial gás-líquido

Uma vez ativadas, as folhas E-PdDI demonstraram um sobrepotencial baixo de 34 mV, o que significa que pouca energia extra é necessária para a produção de hidrogênio. Elas não apenas correspondem ao sobrepotencial da platina, que é 35 mV, mas também ao desempenho catalítico do metal precioso com densidade de corrente de troca de 2,1 mA/cm².

O “desempenho notável” supera não apenas o dos eletrodos de metal Pd, mas também os nanosheets convencionais de MDI (M=Ni, Co, Cu), observou o estudo, acrescentando que esse desempenho excepcional foi alcançado apesar do uso de quantidades muito pequenas de metais preciosos.

Com esses resultados, o E-PdDI apresenta os catalisadores HER mais eficientes desenvolvidos até hoje, tornando-se uma alternativa de baixo custo promissora à platina.

Quanto à estabilidade a longo prazo, que é um dos aspectos críticos de qualquer catalisador, os nanosheets PdDI também demonstraram excelente durabilidade. Eles permaneceram intactos após 12 horas em condições ácidas, validando sua aplicabilidade em sistemas reais de produção de hidrogênio. 

“Nossa pesquisa nos aproxima um passo de tornar a produção de H2 mais acessível e sustentável, um passo crucial para alcançar um futuro de energia limpa.”

– Dr. Maeda

Ao reduzir a dependência da escassa e cara platina, os nanosheets de coordenação bis(diimino)paládio (PdDI) também estão alinhados com os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) da ONU, promovendo energia acessível e limpa, bem como inovação e infraestrutura. 

Notavelmente, o estudo não se restringe a experimentos de laboratório. A relação custo-benefício, escalabilidade e atividade aprimorada dos nanosheets PdDI os tornam extremamente úteis em sistemas de armazenamento de energia em larga escala, células de combustível de hidrogênio e produção industrial de hidrogênio.

Além disso, o PdDI pode reduzir as emissões relacionadas à mineração associadas aos catalisadores à base de platina, acelerando a transição para uma economia de hidrogênio sustentável. O próximo passo da equipe da TUS é otimizar os nanosheets PdDI para uso no mundo real.

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Empresas Inovadoras Investíveis 

Vamos agora dar uma olhada em um nome proeminente no campo que está ajudando a avançar tecnologias de energia limpa, incluindo o desenvolvimento de catalisadores de hidrogênio sem platina.

Plug Power Inc.

A empresa com capitalização de mercado de US$ 1,54 bilhão especializa-se em sistemas de células de combustível de hidrogênio e tem pesquisado catalisadores sem platina para reduzir custos e melhorar a eficiência.

No momento da redação, as ações da PLUG estão sendo negociadas a US$ 1,71, queda de 21,6% no ano. Seu EPS (TTM) é -2,54, e o P/E (TTM) é -0,65.

Para o quarto trimestre de 2024, a Plug Power (PLUG ) relatou US$ 191,5 milhões em receita e uma perda de margem bruta de 122%, enquanto o fluxo de caixa operacional melhorou 46% em relação ao ano anterior. Encerrou o ano com mais de US$ 200 milhões em caixa não restrito. A empresa recentemente concluiu um programa de Garantia de Empréstimo DOE de US$ 1,66 bilhão.

Durante esse período, o negócio de eletrólitos da Plug Power continuou a escalar, e o negócio de hidrogênio se fortaleceu.

“2024 foi um ano de forte execução e progresso estratégico significativo para a Plug, enquanto avançávamos em nossas iniciativas e fazíamos avanços na condução da economia do hidrogênio adiante.”

– CEO Andy Marsh

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Conclusão

Com a população mundial crescendo rapidamente, o que se espera que alcance aproximadamente 10,3 bilhões em meados da década de 2080, o problema das emissões de gases de efeito estufa se tornará ainda mais grave. Isso cria a necessidade de reduzir nossa dependência de energia de combustíveis fósseis e adotar fontes de energia que sejam limpas, mais seguras, abundantes e amigas do meio ambiente.

Aqui, a energia de hidrogênio emergiu como um motor chave para um futuro limpo e sustentável, oferecendo uma alternativa zero emissões aos combustíveis fósseis. Embora promissora, a produção em larga escala de hidrogênio depende fortemente de catalisadores caros à base de platina, o que torna o custo um grande desafio para a indústria.

Ao substituir o metal precioso Pt por nanosheets PdDI, o estudo mais recente alcançou um avanço na produção de eletrodos com custo-benefício e gerou ótimos resultados nas indústrias fornecedoras de eletrodos, produção de hidrogênio e automóveis.

Clique aqui para uma lista das principais ações de energia limpa com foco ambiental. 

Estudos Referenciados:

1. Gao, Y., Yang, Y., Schimmenti, R., Murray, E., Peng, H., Wang, Y., Ge, C., Jiang, W., Wang, G., DiSalvo, F. J., Muller, D. A., Mavrikakis, M., Xiao, L., Abruña, H. D., & Zhuang, L. (2022). A completely precious metal–free alkaline fuel cell with enhanced performance using a carbon-coated nickel anode. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(13), e2119883119. https://doi.org/10.1073/pnas.2119883119

2. Maeda, H., Phua, E. J. H., Sudo, Y., Nagashima, S., Chen, W., Fujino, M., Takada, K., Fukui, N., Masunaga, H., Sasaki, S., Tsukagoshi, K., & Nishihara, H. (2024). Synthesis of Bis(diimino)palladium Nanosheets as Highly Active Electrocatalysts for Hydrogen Evolution. Chemistry – A European Journal. https://doi.org/10.1002/chem.202403082