Pesquisadores da Universidade de Adelaide e do Centro de Excelência para Ciência e Inovação de Carbono do Conselho de Pesquisa Australiano (COE-CSI) criaram dois sistemas de eletrólise que aproveitam a ureia encontrada na urina e nas águas residuais para produzir hidrogênio, reduzindo o consumo de eletricidade em até 27% em comparação com a produção de hidrogênio à base de água.
O investigador-chefe do COE-CSI, professor Yao Zheng, disse que a abordagem não apenas torna o hidrogênio verde economicamente competitivo com as alternativas derivadas de combustíveis fósseis, mas também cria uma solução elegante para o tratamento de águas residuais.
“Embora não tenhamos resolvido todos os problemas, se esses sistemas forem ampliados, nossos sistemas produzirão gás nitrogênio inofensivo em vez dos nitratos e nitritos tóxicos, e qualquer um dos sistemas usará entre 20 e 27% menos eletricidade do que os sistemas de divisão de água”, disse ele.
O hidrogênio é normalmente gerado através do uso de eletrólise para dividir a água em oxigênio e hidrogênio. A equipe de pesquisa disse que esse processo é “proibitivo” e consome muita energia, exigindo 1,23 V para desencadear a reação enquanto eles foram capazes de dividir a ureia, que como transportador de hidrogênio tem uma barreira de decomposição termodinâmica menor do que a da água, com apenas 0,37 V.
Em seu primeiro estudo, a equipe empregou um sistema de eletrólise livre de membrana alimentado por um catalisador à base de cobre com ureia pura como matéria-prima. Essa ureia foi produzida através do processo de síntese de amônia Haber-Bosch. Para evitar esse processo de uso intensivo de energia e emissão de carbono, um segundo sistema foi projetado para utilizar a ureia encontrada na urina.
“Precisamos reduzir o custo de produção de hidrogênio, mas de forma neutra em carbono”, disse Zheng. “O sistema em nosso primeiro artigo, embora use um sistema exclusivo sem membrana e um novo catalisador à base de cobre, usou ureia pura, produzida por meio do processo de síntese de amônia Haber-Bosch que consome muita energia e libera muito CO₂.”
“Resolvemos isso usando uma fonte verde de ureia, a urina humana, que é a base do sistema examinado em nosso segundo artigo.”
Embora seja uma fonte promissora de ureia, a urina traz seu próprio desafio. Ele contém íon cloreto que podem desencadear reações químicas indesejadas durante a eletrólise. Essas reações produzem gás cloro que corrói o ânodo do sistema e prejudica a funcionalidade a longo prazo.
Para resolver isso, o segundo sistema dos pesquisadores apresenta um mecanismo de oxidação mediado por cloro que redireciona a via de reação usando catalisadores à base de platina suportados em carbono.
Os pesquisadores disseram que a abordagem não apenas protege o ânodo, mas também mantém a produção eficiente de hidrogênio a partir da urina, acrescentando que o sistema à base de platina atinge um consumo de eletricidade tão baixo quanto 4,05 kWh por metro cúbico de hidrogênio, superando a eletrólise tradicional da água (4,70-5,00 kWh).
“As implicações financeiras desse avanço podem transformar o cenário do hidrogênio verde”, disseram eles, acrescentando que os cálculos sugerem que o hidrogênio produzido por meio de seu sistema custa menos do que o hidrogênio “cinza” tradicionalmente extraído de combustíveis fósseis.
“O eletrolisador sem membrana em escala industrial baseado neste sistema reduz com sucesso o custo de produção de hidrogênio para US$ 1,81 por quilo (US$ 2,79), menor do que o hidrogênio cinza, e abaixo da meta técnica do Departamento de Energia dos Estados Unidos para 2030 de US$ 2,00-2,50 (US$ 3,08-US$ 3,85) por quilo”, disseram os pesquisadores.
A equipe agora está trabalhando para construir sistemas totalmente livres de membrana que recuperam hidrogênio verde e remediam águas residuais ricas em nitrogênio. Também reconheceu que o uso de platina como material catalítico é insustentável e visa desenvolver alternativas de metais não preciosos.
A pesquisa foi publicada em Angewandte Chemie International Edition e Nature Communications.
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