À medida que a procura global de energia continua a crescer, investigadores, líderes industriais, governos e outras partes interessadas estão a trabalhar em conjunto para explorar novas formas de produzir energia. Estes esforços tornaram-se ainda mais urgentes à medida que o mundo enfrenta a crise climática e procura alternativas aos combustíveis fósseis.
Uma tecnologia que está recebendo muita atenção são as células a combustível de óxido sólido, ou SOFCs. Ao contrário das baterias, que libertam energia química armazenada, estas células de combustível convertem o combustível químico diretamente em eletricidade e continuam a gerar energia enquanto o combustível estiver disponível. Muitas pessoas já estão familiarizadas com as células a combustível de hidrogênio, que utilizam hidrogênio para produzir eletricidade e água.
Por que as altas temperaturas operacionais são um problema sério
Embora os SOFCs sejam conhecidos por sua alta eficiência e longa vida útil, eles têm uma grande limitação: eles exigem temperaturas extremamente altas, em torno de 700-800°C, para funcionar corretamente. Alcançar e manter essas temperaturas requer materiais especiais que possam suportar temperaturas extremas, tornando os sistemas caros.
Pesquisadores da Universidade de Kyushu, reportando na Nature Materials, dizem agora que desenvolveram uma SOFC que opera eficientemente a apenas 300°C. De acordo com a equipa, este avanço poderia reduzir significativamente os custos, apoiar a criação de SOFCs de baixa temperatura e acelerar a sua utilização em ambientes do mundo real.
Papel fundamental dos eletrólitos no desempenho da célula de combustível
No coração de cada SOFC está um componente chamado eletrólito, uma camada cerâmica que transporta partículas carregadas entre os eletrodos da célula de combustível. Nas células a combustível de hidrogênio, essa camada carrega íons de hidrogênio (também conhecidos como prótons) que permitem que a célula gere eletricidade. No entanto, o eletrólito geralmente precisa de temperaturas extremamente altas para que esses prótons se movam com rapidez suficiente para funcionarem com eficiência.
“Se a temperatura operacional for reduzida para 300°C, isso reduziria os custos de material e abriria a porta para sistemas de consumo”, diz o professor Yoshihiro Yamazaki, da Plataforma para Pesquisa Energética Inter/Transdisciplinar da Universidade de Kyushu, que liderou o estudo. “No entanto, nenhuma cerâmica conhecida pode transportar prótons suficientes a tal taxa sob condições tão ‘quentes’. Então, decidimos quebrar esse gargalo.”
Resolvendo o problema do dopante em redes cristalinas
Os eletrólitos são feitos de átomos dispostos em uma rede cristalina. Os prótons se movem pelos espaços entre esses átomos. Durante anos, os cientistas têm experimentado diferentes materiais e aditivos químicos – substâncias que alteram as propriedades de um material – na esperança de aumentar a velocidade com que os prótons se movem através da rede.
“Mas isso também traz um problema”, explica Yamazaki. “A adição de aditivos químicos pode aumentar o número de prótons móveis que passam pelo eletrólito, mas isso geralmente obstrui a estrutura cristalina, desacelerando os prótons. Procuramos cristais de óxido que pudessem conter muitos prótons e permitir que eles se movessem livremente – um equilíbrio que nosso novo estudo finalmente alcançou. “
Avanço a 300°C usando BaSnO3 e BaTiO3 dopados com Sc
A equipe descobriu que dois óxidos, estanato de bário (BaSnO3) e titanato de bário (BaTiO3), quando dopado com um alto nível de escândio (Sc), alcançou uma condutividade de prótons alvo de mais de 0,01 S/cm a 300°C. Esta condutividade é semelhante à que os eletrólitos SOFC atuais alcançam a 600-700°C.
“A análise estrutural e simulações de dinâmica molecular mostraram que os átomos de Sc se ligam ao oxigênio circundante para formar” ScO6 rodovia’ ao longo da qual os prótons viajam com uma barreira de migração incomumente baixa. Esta via é ampla e vibra suavemente, o que evita a captura de prótons que normalmente sofre com óxidos fortemente dopados, “diz Yamazaki.” Os dados de dinâmica de rede mostraram ainda que BaSnO3 e BaTiO3 são inerentemente “mais macios” do que os materiais SOFC convencionais, permitindo-lhes absorver muito mais Sc do que se pensava anteriormente.”
Estamos abrindo a porta para células de combustível de baixa temperatura acessíveis
Esses resultados revertem o compromisso de longa data entre adicionar mais dopantes e manter o movimento rápido dos íons, fornecendo um caminho promissor para SOFCs de média temperatura acessíveis.
“Além das células de combustível, o mesmo princípio pode ser aplicado a outras tecnologias, como a eletrólise de baixa temperatura, bombas de hidrogênio e reatores que convertem CO2 em produtos químicos valiosos, aumentando assim o efeito de descarbonização. Nosso trabalho transforma um paradoxo científico de longa data em uma solução prática, aproximando a energia acessível do hidrogênio da vida cotidiana”, conclui Yamazaki.
