Com o surgimento das energias renováveis ​​e dos veículos elétricos, os veículos movidos a hidrogênio estão ganhando cada vez mais atenção. O Professor Mengjing Li, Professor Assistente do Departamento de Física Aplicada da Universidade Politécnica de Hong Kong, pesquisa a amônia como transportador de hidrogênio e recentemente desenvolveu um catalisador eficiente e de baixo custo que pode ajudar a promover a aplicação prática de veículos movidos a hidrogênio.

A transição global para a energia sustentável impulsionou os veículos movidos a hidrogênio para a vanguarda das soluções de transporte limpo. À medida que governos e indústrias se esforçam para descarbonizar a mobilidade, os veículos com células de combustível de hidrogênio estão ganhando popularidade devido à sua alta eficiência energética e zero emissões. No entanto, a ampla adoção de veículos movidos a hidrogênio depende não apenas do desenvolvimento da tecnologia de células de combustível, mas também do armazenamento e liberação seguros, eficientes e econômicos do próprio hidrogênio.

O Professor Li e sua equipe de pesquisa estão explorando o potencial do uso de amônia como transportador de hidrogênio e estudando a estabilidade do armazenamento de hidrogênio para promover a ampla adoção de veículos movidos a hidrogênio. Sua pesquisa, publicada na Advanced Materials, descreve um catalisador eficiente e barato para promover a reação de geração de hidrogênio.

Quando utilizado em uma célula de combustível, o hidrogênio (H2) reage com o oxigênio (O2) para produzir eletricidade, produzindo apenas água (H2O) como subproduto. Essa reação oferece uma alternativa atraente à combustão de combustíveis fósseis, prometendo vantagens ambientais e operacionais. No entanto, a baixa densidade aparente do hidrogênio e os desafios de armazenamento e transporte têm sido considerados obstáculos significativos à sua aplicação prática.

Entre as diversas estratégias propostas, carreadores químicos como a amônia (NH₃) surgiram como soluções promissoras. O NH₃ possui uma infraestrutura de produção e distribuição bem estabelecida, alta densidade de hidrogênio e a capacidade de liberar hidrogênio sem produzir óxidos de carbono. Portanto, a decomposição do NH₃ em N₂ e H₂ é uma reação fundamental para a produção de hidrogênio a bordo de veículos com células de combustível.

Apesar da natureza promissora da tecnologia de craqueamento de amônia, sua aplicação prática enfrenta um obstáculo significativo: sua dependência de catalisadores à base de rutênio (Ru). Catalisadores de rutênio são altamente eficazes para a decomposição de amônia em baixas temperaturas, mas sua escassez e alto custo dificultam sua implantação em larga escala. Isso levou pesquisas globais a identificar catalisadores alternativos baseados em metais não preciosos, abundantes na Terra.

O cobalto (Co) surgiu como um candidato atraente devido à sua boa energia de ligação ao nitrogênio e menor suscetibilidade ao envenenamento do catalisador em comparação com outros metais de transição. No entanto, catalisadores convencionais à base de cobalto normalmente requerem altas temperaturas (>600°C) para atingir rendimentos satisfatórios de hidrogênio, limitando sua aplicação em aplicações móveis, onde a eficiência energética e o design compacto do reator são cruciais.

Para enfrentar esses desafios, pesquisas recentes têm se concentrado em estratégias inovadoras de design de catalisadores para aprimorar a atividade em baixas temperaturas de sistemas à base de cobalto. Uma abordagem envolve a engenharia de deformação da rede na interface catalisador-suporte para modular a estrutura eletrônica dos sítios ativos e otimizar suas interações com os reagentes. Com base nos avanços da engenharia de deformações em outros sistemas catalíticos, a equipe de pesquisa do Professor Li desenvolveu uma nova classe de catalisadores núcleo-casca, exemplificada pela heteroestrutura Co@BaAl₂O₄₋ₓ.

Os testes de desempenho do catalisador Co@BaAl₂O₄₋ₓ demonstraram atividade significativa de decomposição de NH₃ em temperaturas moderadas. Sob condições de alta velocidade espacial, o catalisador atingiu uma taxa de produção de hidrogênio de 64,6 mmol H₂ gcat₁ min₁ e manteve a conversão de NH₃ quase completa entre 475 °C e 575 °C. Esses resultados são comparáveis ​​ou até mesmo superiores aos de muitos catalisadores à base de Ru, mas sem as restrições de custo e fornecimento associadas.

Técnicas avançadas de caracterização, incluindo espectroscopia de absorção de raios X síncrotron e microscopia eletrônica, confirmaram a formação de uma estrutura núcleo-casca bem definida e a presença de espécies de nitrogênio na interface pós-reação, destacando o papel fundamental da heteroestrutura na promoção da catálise.

Para ilustrar ainda mais as vantagens do projeto núcleo-casca, conduzimos um estudo comparativo com um catalisador suportado convencional, Co/BaAl₂O₄₋ₓ, que não possui uma camada de cobertura. Para garantir uma comparação justa, ambos os catalisadores foram preparados utilizando nanopartículas de cobalto de tamanho semelhante. Os resultados são impressionantes: enquanto a conversão de NH₃ aumenta com a temperatura para ambos os sistemas, o catalisador núcleo-casca Co@BaAl₂O₄₋ₓ apresenta uma temperatura de início significativamente menor (200 °C vs. 250 °C) e atinge a conversão quase completa a 500 °C, enquanto o catalisador suportado apresenta uma temperatura de início ainda maior. Além disso, a estrutura núcleo-casca apresenta excelente estabilidade em altas vazões, enquanto o desempenho dos catalisadores suportados diminui drasticamente.

O desenvolvimento do catalisador núcleo-casca Co@BaAl₂O₄₋ₓ representa um avanço significativo no desenvolvimento de catalisadores eficientes e livres de rutênio para craqueamento de amônia em veículos movidos a hidrogênio. Ao alavancar a engenharia de deformação de rede e fortes interações metal-suporte, este sistema alcança atividade em baixas temperaturas e estabilidade anteriormente apenas alcançáveis ​​com metais preciosos.

Os insights mecanísticos obtidos com este estudo não apenas fornecem orientação para o projeto de catalisadores de energia limpa de próxima geração, mas também destacam o potencial transformador da engenharia interfacial em catálise heterogênea. À medida que a economia do hidrogênio continua a se desenvolver, tais inovações são cruciais para concretizar todo o potencial do hidrogênio como um combustível sustentável para o transporte futuro.