Novo catalisador perovskita para hidrogénio limpo da água 900°F (500°C) mais frio

Os autocarros a hidrogénio já circulam suavemente em algumas cidades, libertando apenas vapor de água. O combustível arde de forma limpa, sem carbono nem fuligem. O verdadeiro desafio está em produzir hidrogénio limpo a partir de água.

Hoje, quase todo o hidrogénio que consumimos é obtido a partir de combustíveis fósseis, e várias alternativas mais limpas exigem calor ao nível de fornos industriais para funcionarem. Uma equipa em Inglaterra conseguiu agora reduzir esse requisito em centenas de graus.

Um segredo sujo

Apesar da imagem de combustível “limpo”, cerca de 95% do hidrogénio mundial continua a ser produzido a partir de fontes fósseis. O processo mais usado extrai átomos de hidrogénio do gás natural, deixando dióxido de carbono como subproduto.

Um relatório global recente sobre o sector concluiu que menos de 1% da oferta pode ser classificada como combustível de baixas emissões. Separar a água com electricidade é muito mais limpo, mas mantém-se caro e responde apenas por uma pequena fracção da procura.

É precisamente aqui que está o bloqueio. O hidrogénio poderia alimentar camiões e substituir o carvão em grande parte da indústria pesada, mas só se conseguir ser, ao mesmo tempo, limpo e barato.

Hidrogénio limpo a partir de água

Há uma via com potencial que dispensa cabos e centrais eléctricas. Na separação termoquímica da água, um material aquecido “captura” átomos de oxigénio do vapor, e o gás hidrogénio sai como o que sobra. É o calor que assegura o trabalho.

O problema sempre foi a temperatura. Para separar a água, são necessários cerca de 1,300 a 1,800°F (700 a 980°C), como descreve uma análise técnica desta abordagem.

Depois surge a fase mais dura. Em cada ciclo, o material fica carregado de oxigénio, e expulsar esse oxigénio volta a exigir aproximadamente 2,400 a 2,700°F (1,320 a 1,480°C). Poucos reactores - e ainda menos orçamentos - aguentam um esforço destes.

Quase 900 graus mais frio

O novo material foi desenvolvido por uma equipa liderada pelo Professor Yulong Ding, engenheiro químico da University of Birmingham. O trabalho foi realizado em conjunto com colegas da University of Science and Technology Beijing. Em conjunto, conseguiram trazer as duas etapas desse ciclo exigente para uma gama de operação bem mais tolerável.

O catalisador é uma perovskita - um cristal cuja rede contém pequenas lacunas capazes de absorver oxigénio. Quando recebe vapor de água, retira directamente o oxigénio das moléculas, enquanto o gás hidrogénio se liberta.

Em testes laboratoriais, o material gerou quantidades relevantes de hidrogénio com temperaturas entre cerca de 300 e 930°F (150 a 500°C).

A regeneração para um novo ciclo exigiu cerca de 1,300 a 1,800°F (700 a 980°C) - aproximadamente 900°F (500°C) abaixo do que os catalisadores actuais conseguem.

Partia-se do princípio de que estes cristais só absorveriam oxigénio com calor muito mais elevado. Até este estudo, ninguém tinha demonstrado que o conseguiriam a temperaturas tão moderadas, e é precisamente essa característica que permite reduzir a temperatura de todo o ciclo.

Feito com elementos comuns

A própria composição também ajuda. O cristal é formado com bário, cálcio, nióbio e ferro, e nenhum destes elementos é raro ou tóxico. Além disso, o fabrico não requer etapas particularmente complexas.

A resistência do material também se confirmou nos testes. A versão com melhor desempenho manteve a produção de hidrogénio ao longo de dez ciclos consecutivos, sem sinais de degradação entre rondas.

Análises por raios X reforçaram esse resultado, ao mostrarem que a estrutura do cristal praticamente não se alterou após repetidos aquecimentos e arrefecimentos.

Segundo a análise da equipa, as moléculas de água separam-se nas lacunas vazias onde antes estavam átomos de oxigénio, embora a química exacta ainda precise de ser esclarecida.

Combustível a partir do calor das fábricas

Operar a temperaturas mais baixas muda os locais onde o hidrogénio pode ser produzido. Siderurgias, cimenteiras e outras indústrias pesadas libertam enormes quantidades de calor residual, sendo que grande parte se encontra exactamente dentro da nova faixa de funcionamento do catalisador.

Em vez de perder essa energia por uma chaminé, uma unidade industrial poderia canalizá-la para um módulo de separação da água instalado no local.

O mesmo poderia acontecer em instalações próximas de produção renovável, aproximando a produção de combustível dos pontos onde o hidrogénio é efectivamente consumido.

O hidrogénio é conhecido por ser difícil de armazenar e transportar. A equipa de Ding defende que fabricá-lo no próprio local de utilização contorna por completo o problema de armazenamento e logística.

Isso evitaria, por exemplo, os custos de construir condutas e frotas de camiões-cisterna.

Mais barato do que os rivais

A equipa também fez contas. Uma análise preliminar de custos indica que o método pode ficar abaixo do hidrogénio verde - o produzido ao aplicar electricidade renovável à água.

A mesma avaliação colocou-o também abaixo do hidrogénio azul - obtido a partir de gás natural com captura e armazenamento de carbono.

Em regiões onde a electricidade renovável é barata, essa vantagem pareceu mais acentuada, sendo a Austrália apresentada como um exemplo.

Ainda assim, são estimativas iniciais, não preços de mercado, e a passagem de amostras de laboratório para reactores industriais costuma trazer imprevistos.

Mesmo com essas ressalvas, a universidade já submeteu uma patente para esta família de catalisadores e procura parceiros comerciais no Reino Unido e na Europa.

O que muda agora

O resultado final é claro. Um cristal barato e estável consegue agora executar as duas metades do ciclo de separação da água com cerca de 900°F (500°C) a menos do que a área considerava viável. Antes deste estudo, nenhum laboratório o tinha demonstrado.

Essa descida altera as contas da engenharia. As unidades de produção de hidrogénio podem passar a ser concebidas com base no calor residual que as fábricas já geram, em vez de dependerem de fornos a temperaturas próximas das necessárias para fundir aço.

Ainda é necessário construir reactores comerciais, e esse passo já está em curso. O aspecto curioso é a simplicidade da solução.

Quatro elementos comuns, integrados num único cristal, podem fornecer o hidrogénio limpo que abordagens muito mais caras tentam alcançar há anos.