Pesquisadores na China criam dispositivo para dividir diretamente a água do mar para produzir hidrogênio

Dec 12, 2023

Petmal/iStock

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Uma equipe de pesquisa na China desenvolveu um dispositivo para dividir a água salgada do mar para produzir hidrogênio diretamente. O dispositivo, um eletrolisador de água do mar baseado em membrana, ajuda a resolver os problemas de reação lateral e corrosão dos métodos tradicionais.

A equipe liderada por Zongping Shao, professor de engenharia química da Nanjing Tech University, na China, publicou seu estudo na revista Nature e afirmou que seu modelo "funcionou por mais de 3.200 horas em condições de aplicação prática sem falhas".

A maior parte do hidrogênio produzido hoje é de fontes de combustível fóssil, o que pode aumentar significativamente a pegada de carbono. “A eletrólise eletroquímica de água salina usando energia renovável como insumo é um método altamente desejável e sustentável para a produção em massa de hidrogênio verde, disse um comunicado.

No entanto, há um problema. As propriedades da água salgada resultam na corrosão de eletrodos utilizados em diversos sistemas, muitas vezes tornando-os inviáveis. O uso de revestimentos de poliânions para resistir à corrosão por íons cloreto ou eletrocatalisadores altamente seletivos não ajudou o suficiente para aplicações práticas.

Um processo de dessalinização pode resolver o problema, "mas requer entrada de energia adicional, tornando-o economicamente menos atraente". O tamanho dos equipamentos envolvidos no processo de dessalinização também torna essas soluções menos flexíveis.

Um eletrolisador normalmente consiste em dois eletrodos revestidos com catalisadores e uma membrana separa os componentes constituintes - hidrogênio e oxigênio. A formação do gás de cloro altamente corrosivo no processo leva a uma degradação mais rápida dos catalisadores e eletrodos. Os íons de magnésio e cálcio na água do mar também podem bloquear as membranas. Esses fatores diminuem a eficiência geral e a vida útil desses dispositivos.

"Nossa estratégia realiza eletrólise direta de água do mar eficiente, flexível e escalável de maneira semelhante à divisão de água doce sem um aumento notável no custo operacional", disse Shao ao IEEE Spectrum.

A equipe usa uma solução concentrada de eletrólito de hidróxido de potássio para mergulhar os eletrodos, e uma membrana porosa ajuda a separar a solução de eletrólito da água do mar. A membrana rica em flúor bloqueia a água líquida, mas deixa passar o vapor de água.

Durante a eletrólise, a água na solução eletrolítica é cuspida em seus componentes constituintes. Isso resulta em uma variação de pressão entre o eletrólito e a água do mar, fazendo com que esta última evapore. Ao mesmo tempo, a água passa pela membrana para o eletrólito e volta a ser água líquida, repondo o estoque para o próximo ciclo.

"É importante ressaltar que essa configuração e mecanismo prometem outras aplicações em tratamento simultâneo de efluentes à base de água e recuperação de recursos e geração de hidrogênio em uma única etapa".

Os pesquisadores têm certeza de que seu dispositivo, além de produzir hidrogênio, também será capaz de recuperar lítio da água do mar. Outras aplicações do dispositivo se estendem a atividades como a limpeza de água doce industrial.

Abstrato

A eletrólise eletroquímica de água salina usando energia renovável como insumo é um método altamente desejável e sustentável para a produção em massa de hidrogênio verde; no entanto, sua viabilidade prática é seriamente desafiada pela durabilidade insuficiente por causa das reações laterais do eletrodo e problemas de corrosão decorrentes dos componentes complexos da água do mar. Embora a engenharia de catalisadores usando revestimentos de poliânions para suprimir a corrosão por íons cloreto ou criando eletrocatalisadores altamente seletivos tenha sido extensivamente explorada com sucesso modesto, ainda está longe de ser satisfatória para aplicações práticas. A separação indireta da água do mar usando um processo de pré-dessalinização pode evitar reações colaterais e problemas de corrosão, mas requer entrada de energia adicional, tornando-a economicamente menos atraente. Além disso, o sistema de dessalinização volumoso independente torna os sistemas de eletrólise de água do mar menos flexíveis em termos de tamanho. Aqui propomos um método de eletrólise direta da água do mar para a produção de hidrogênio que aborda radicalmente os problemas de reação lateral e corrosão. Um sistema de demonstração foi operado de forma estável a uma densidade de corrente de 250 miliamperes por centímetro quadrado por mais de 3.200 horas em condições práticas de aplicação sem falhas. Essa estratégia realiza eletrólise direta de água do mar eficiente, flexível e escalável de maneira semelhante à separação de água doce sem um aumento notável no custo de operação e tem alto potencial para aplicação prática. É importante ressaltar que essa configuração e mecanismo prometem outras aplicações em tratamento simultâneo de efluentes à base de água e recuperação de recursos e geração de hidrogênio em uma única etapa.