Aidimme, da Espanha, desenvolve eletrocatalisadores impressos em 3D que aumentam a produção de hidrogénio em 10 vezes

De acordo com pt.wedoany.com-A Aidimme (Instituto Tecnológico de Metalomecânica, Mobiliário, Madeira, Embalagem e Afins) desenvolveu e validou, através do projeto SUR-FA, uma abordagem integrada para fabricar elétrodos porosos com estrutura controlada, superfícies multinível e comportamento eletrocatalítico adaptado a condições reais. O projeto validou uma metodologia que vai desde o design até ao fabrico do eletrocatalisador, abrangendo geometria, tecnologias de fabrico 3D, materiais, modificação de superfície e fabrico de reatores, constituindo um processo onde cada etapa influencia diretamente o desempenho do elétrodo e a sua adequação à aplicação pretendida.

O estudo trata o elétrodo como um sistema funcional, onde a geometria interna, as propriedades do material e a química da superfície interagem de forma interdependente, em vez de tratar estes elementos separadamente, como é tradicional. A estrutura já não responde apenas a critérios construtivos, mas torna-se um elemento ativo que influencia parâmetros físicos como a transferência de massa, o transporte iónico, a condução eletrónica e a distribuição de corrente. O fabrico aditivo permite, neste processo, criar diretamente estruturas personalizadas, gerando estruturas porosas periódicas que têm um impacto decisivo na transferência de massa, na distribuição de corrente e na resistência iónica. Estas matrizes de alta precisão são posteriormente submetidas a modificação de superfície, obtendo estruturas hierárquicas altamente ordenadas e dopadas com catalisadores, para superfícies eletrocatalíticas nas áreas da energia e do ambiente.

O desenvolvimento começa com o design estrutural do elétrodo poroso, introduzindo parâmetros como o tamanho dos poros, a conetividade dos canais, o tipo de estrutura, a tortuosidade e a relação área superficial/volume. O estudo considerou dois tipos de estruturas: estruturas de treliça e estruturas TPMS (superfícies mínimas triplamente periódicas). As estruturas de treliça baseiam-se em redes periódicas de barras e nós, apresentando elevada rigidez mecânica, mas os nós introduzem descontinuidades geométricas que aumentam a tortuosidade; as estruturas TPMS representam geometrias contínuas com curvatura média zero, aplicadas no projeto através da estrutura Flexa, eliminando descontinuidades, promovendo canais interligados e reduzindo perdas hidráulicas. De mais de 20 configurações iniciais, foram selecionadas quatro estruturas representativas: Flexa, Octet Truss, Diamond 20 e Dode-medium.

A metodologia experimental divide-se em fases interligadas: primeiro, a definição da célula unitária e dos parâmetros de design, seguida de modelação multiescala. Na fase piloto, a continuidade estrutural foi validada através de fabrico aditivo em poliamida com tecnologia Multi Jet Fusion; posteriormente, as estruturas selecionadas foram fabricadas em titânio e cobre utilizando fusão por feixe de eletrões em leito de pó. Na modificação de superfície, foram aplicados tratamentos de limpeza e condicionamento, seguidos da geração de nanoestruturas controladas (nanotubos, nanoporos, nanofolhas) através de processos eletroquímicos, químicos e térmicos. No substrato de titânio, foram obtidas estruturas de dióxido de titânio por anodização; no substrato de cobre, foram obtidas nanofolhas ou nanofios de óxido de cobre.

Do ponto de vista físico, a estrutura Octet Truss apresenta elevada rigidez mecânica e alta tortuosidade, aumentando o tempo de residência mas limitando o transporte iónico; a estrutura Flexa é equilibrada, com baixa turbulência de fluxo, pequena queda de pressão e elevada conetividade; a Diamond 20 oferece estabilidade estrutural com elevada porosidade; a Dode-medium maximiza o transporte de eletrólito. O projeto desenvolveu desde a caracterização em pequena escala até reatores integrados com elétrodos de 100 x 100 mm, otimizando o fluxo de eletrólito e a distribuição de corrente.

A validação experimental foi realizada em aplicações como a produção de hidrogénio, oxidação de glicerol e redução de nitratos. Na produção de hidrogénio e oxidação de glicerol, foram utilizados elétrodos com estrutura Dode-medium, cujas micro e nanoestruturas superficiais promovem a adsorção de espécies intermédias. Os resultados mostram que o efeito sinérgico da estrutura 3D projetada, da modificação e da dopagem com níquel aumentou a produção de hidrogénio catódico em 10 vezes no processo fotoeletrocatalítico, e a densidade de corrente anódica de oxidação de glicerol em 15 vezes. Na eletrorredução de nitratos a amónio, para águas salinas reais com elevada carga de nitratos, foi alcançada uma taxa de remoção de nitratos de 100% e uma seletividade para amónio superior a 60%.

Atualmente, o projeto ECO-RECEL, promovido pela Aidimme e apoiado pela Ivace+i e pelo fundo FEDER da União Europeia, está a converter celulose de pinheiro de Alepo em produtos de alto valor acrescentado através de vias químico-eletroquímicas, validando as quatro configurações estudadas no SUR-FA. Os resultados preliminares indicam que o design do elétrodo é um fator importante, especialmente em reatores de fluxo. O projeto SUR-FA estabeleceu um método completo de design e validação de elétrodos porosos eficientes, demonstrando que o design deve estar relacionado com o processo final e a aplicação, abrindo novas possibilidades para a aplicação de tecnologias avançadas nas áreas da energia e do ambiente.