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A utilização de fontes de energia acessíveis e sustentáveis tem sido uma grande preocupação mundial, o que tem levado ao desenvolvimento de vários sistemas de energia renovável. Esses sistemas não são suficientes para responder à procura de energia global, pelo que são necessárias tecnologias mais avançadas. A utilização do hidrogénio é uma alternativa interessante para enfrentar a procura de energia na Europa, já que pode ser obtido dividindo a água num eletrolisador(EL) e depois ser transformado em eletricidade numa célula de combustível(FC). A combinação desses dois dispositivos para implementar uma tecnologia única e revolucionária, conhecida como célula de combustível regenerativa unitária(URFC), pode transformar os sistemas globais de produção de energia.
Atualmente, a membrana de permuta de protões (PEM) é a tecnologia dominante no EL e na FC, devido ao seu grande desenvolvimento na indústria aeroespacial. No entanto, apesar de ter um desempenho excecional, a PEM ainda não obteve um sucesso comercial completo devido à insuficiente durabilidade e ao alto custo dos eletrocatalisadores. Os eletrocatalisadores mais eficientes até ao momento são baseados em metais nobres que são caros e escassos e podem representar até 50% do custo total de uma célula. Assim, a substituição de metais nobres por materiais com menor custo, maior disponibilidade e eficiente eletroatividade é crucial para implementar uma economia real de hidrogénio. A principal desvantagem dos eletrocatalisadores isentos de metais nobres é que apresentam um desempenho pouco eficiente nas PEMs, devido à natureza ácida das membranas, tornando essencial modificar a química operacional. Uma estratégia inovadora é a transição de membranas ácidas para alcalinas (membranas de permuta aniónica(AEM)). A investigação sobre as AEMs começou há apenas uma década, portanto ainda são uma tecnologia em desenvolvimento na qual o projeto do eletrocatalisador, bem como a transferência de tecnologia dos testes de lab  |
Resumo
A utilização de fontes de energia acessíveis e sustentáveis tem sido uma grande preocupação mundial, o que tem levado ao desenvolvimento de vários sistemas de energia renovável. Esses sistemas não são suficientes para responder à procura de energia global, pelo que são necessárias tecnologias mais avançadas. A utilização do hidrogénio é uma alternativa interessante para enfrentar a procura de energia na Europa, já que pode ser obtido dividindo a água num eletrolisador(EL) e depois ser transformado em eletricidade numa célula de combustível(FC). A combinação desses dois dispositivos para implementar uma tecnologia única e revolucionária, conhecida como célula de combustível regenerativa unitária(URFC), pode transformar os sistemas globais de produção de energia.
Atualmente, a membrana de permuta de protões (PEM) é a tecnologia dominante no EL e na FC, devido ao seu grande desenvolvimento na indústria aeroespacial. No entanto, apesar de ter um desempenho excecional, a PEM ainda não obteve um sucesso comercial completo devido à insuficiente durabilidade e ao alto custo dos eletrocatalisadores. Os eletrocatalisadores mais eficientes até ao momento são baseados em metais nobres que são caros e escassos e podem representar até 50% do custo total de uma célula. Assim, a substituição de metais nobres por materiais com menor custo, maior disponibilidade e eficiente eletroatividade é crucial para implementar uma economia real de hidrogénio. A principal desvantagem dos eletrocatalisadores isentos de metais nobres é que apresentam um desempenho pouco eficiente nas PEMs, devido à natureza ácida das membranas, tornando essencial modificar a química operacional. Uma estratégia inovadora é a transição de membranas ácidas para alcalinas (membranas de permuta aniónica(AEM)). A investigação sobre as AEMs começou há apenas uma década, portanto ainda são uma tecnologia em desenvolvimento na qual o projeto do eletrocatalisador, bem como a transferência de tecnologia dos testes de laboratório (TRL3) para a validação numa célula protótipo (TRL4), são os principais desafios.
A equipa de investigação, com base na sua ampla experiência em materiais de carbono para aplicações em energia, acredita firmemente que a investigação sobre o desenvolvimento de novos materiais de carbono como elétrodos para URFC, juntamente com a tecnologia revolucionária das AEMs, será um ponto de inflexão crucial para a produção de energia renovável, uma das principais estratégias do Plano Nacional de Energia e Clima (2021-2030).
Os materiais de carbono são muito promissores como elétrodos para URFC com AEM, pois podem mitigar a instabilidade de longo prazo observada em meios alcalinos para metais de transição e óxidos metálicos. Além disso, as suas propriedades podem ser ajustadas para melhorar a sua eletroatividade em relação às quatro reações que ocorrem numa URFC (oxidação de hidrogénio (HOR), redução de oxigénio (ORR) e evolução de hidrogénio (HER) e oxigénio (OER)). HOR/HER e ORR/OER ocorrem alternadamente no mesmo elétrodo, portanto a investigação neste campo deve ser focada no design de eletrocatalisadores bifuncionais com alta eletroatividade. A estratégia mais promissora para melhorar a eletroatividade é ajustar a eletroneutralidade, adicionando heteroátomos e/ou metais. A eficácia dos centros ativos envolvendo heteroátomos e/ou metais pode ser avaliada pela Teoria do Funcional da Densidade (DFT). A DFT tem sido amplamente utilizada para avaliar o mecanismo catalítico de materiais com um ou dois heteroátomos e dopados com um metal. No entanto, a contribuição sinérgica de espécies heteroátomo-metal ou metal-metal tem sido pouco estudada por meio de cálculos teóricos. Portanto, é necessário avaliar a origem das contribuições sinérgicas através da DFT para produzir a próxima geração de eletrocatalisadores bifuncionais com centros multi-ativos eficientes e alto desempenho em relação a HOR/HER e ORR/OER.
O principal objetivo do BiCat4Energy é desenvolver eletrocatalisadores bifuncionais novos, inovadores e de baixo custo para serem usados em protótipos de URFC baseados em AEMs com um desempenho eletroquímico mais elevado ou comparável ao dos eletrocatalisadores atualmente utilizados no EL e na FC. A novidade do BiCat4Energy reside no uso da DFT para avaliar o efeito sinérgico entre os diferentes centros ativos e a validação dos materiais em células protótipo usando AEMs. Esta proposta inovadora permitirá o desenho de materiais com propriedades extraordinárias que serão um fator de diferenciação em relação aos materiais atuais disponíveis no mercado de EL e FC. Além disso, os resultados obtidos no BiCat4Energy serão úteis não só para a URFC mas também para baterias de metal-ar nas quais também ocorrem ORR/OER. Além disso, este projeto enquadra-se nas dez áreas de ação principais (Ação 5) do Plano Estratégico Europeu de Tecnologia Energética: novos materiais e tecnologias para soluções de eficiência energética. |