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Cientistas brasileiros descobrem que o nióbio otimiza células de combustível

Publicado em 22 novembro 2019

Um estudo realizado na Universidade Federal do ABC (UFABC), São Paulo, e publicado no periódico ChemElectroChem (1) esta semana, combinou nióbio e glicerol em uma promissora solução tecnológica para a produção de células de combustível, estas as quais representam, além de uma opção energética mais eficiente do que os motores térmicos, uma fonte de energia ecologicamente sustentável e pouco poluente.

As células de combustível (FCs) podem reduzir o uso de combustíveis fósseis, a principal causa dos danos na camada de ozônio e do aumento na poluição do ar observados hoje, levando, consequentemente, a uma redução nas emissões de poluentes para a atmosfera e o ambiente em geral. As FCs usando combustíveis como glicerol convertem a energia química gerada em processos de oxirredução em energia elétrica através de um único passo, ao contrário dos motores de combustão, obtendo no final produtos como água e dióxido de carbono. Nesse sentido, as FCs permitem uma maior eficiência de energia do que máquinas térmicas que queimam derivados de combustíveis fósseis, biocombustíveis (como o etanol de cana) e gás natural.

Idealmente, as células de combustíveis mais buscadas e pesquisadas são aquelas baseadas em gás hidrogênio (H2), as quais geram como subproduto do processo eletroquímico apenas água, ou seja, são completamente livres de poluentes de qualquer natureza. Porém, atualmente existem limitações tecnológicas para o uso das FCs a base de H2, especialmente no que diz respeito aos custos de armazenamento e transporte do combustível. O glicerol entra, nesse sentido, como uma importante alternativa complementar de combustível.

A molécula de glicerol (C3H8O3) contém três grupos hidroxilas que facilitam a oxidação molecular, podendo ser obtida a partir da fermentação microbiana e em abundância e a baixos custos a partir de fontes secundárias na produção de biodiesel (subproduto de reações industriais de transesterificação). Isso porque existe um excesso de produção dessa substância em mercados de países com alta produção de biodiesel, como o Brasil. No nosso país, o glicerol também é produzido industrialmente em grandes quantidades como um subproduto das reações de saponificação do óleo para a produção de sabão e de detergente. Aliás, o glicerol é comumente descartado como lixo no Brasil e ainda gera graves problemas de descarte para grandes volumes da substância. Somando-se ao baixíssimo preço e facilidade de armazenamento, o glicerol ainda possui outras propriedades físico-químicas e biológicas desejáveis para o uso em FCs, com alto ponto de ebulição e baixa toxicidade.

Na célula de combustível a base de glicerol, energia eletroquímica é gerada quando o glicerol é oxidado no ânodo e oxigênio do ar é reduzido no cátodo, permitindo a geração de corrente elétrica no circuito ligando ambos os eletrodos. Como subproduto dessas reações eletroquímicas, temos a produção de dióxido de carbono e de água. A completa reação é C3H8O3 (glicerol líquido) + 7/2 O2 (gás oxigênio) -> 3 CO2 (gás carbônico) + 4 H2O (água líquida).

No entanto, existe um problema nessa maravilha toda: a estrutura relativamente complexa do glicerol facilita a formação de vários intermediários durante as reações eletroquímicas nas FCs ao interagir com a superfície catalisadora associada, os quais podem ser tóxicos ou mesmo bloquear a atividade do catalisador ao interferir quimicamente com sua superfície. Nesse sentido, outra importante busca visando o aproveitamento do glicerol como combustível - e o desenvolvimento de Células de Combustível Alcalinas Diretas de Glicerol (ADGFC) - é um catalisador eficiente.

O paládio (Pd) é amplamente usado como catalisador em reações diversas - especialmente orgânicas - e é um dos eletrodos mais eficientes em processos eletroquímicos variados. Esse metal possui interessantes características para a oxidação de pequenas moléculas orgânicas - como o glicerol - devido à sua alta força de adsorção no meio alcalino. Por outro lado, o uso apenas de Pd como catalisador diminui sua eficiência devido à geração de intermediários de oxidação que bloqueiam o local catalítico (envenenamento do catalisador). Para diminuir esse efeito colateral indesejável, pode-se utilizar nanopartículas constituídas de outros metais não-nobres para atuarem em conjunto com o Pd. Essa estratégia otimiza principalmente a oxidação do monóxido de carbono durante o processo eletroquímico e diminui a produção de intermediários nocivos.

O Brasil é o maior produtor mundial de nióbio (Nb) e detém cerca de 98% das reservas ativas no planeta. Esse elemento químico metálico é amplamente usado em ligas metálicas, especialmente em aços de alta resistência, e em diversos outras aplicações de alta tecnologia, desde celulares até motores de aeronaves. O Brasil exporta a maior parte do Nb que produz na forma de produtos primários, como ferronióbio. Somando-se à sua grande abundância no nosso país e ao baixo custo, o Nb é bastante utilizado em catalisadores para a foto-oxidação de compostos orgânicos e água (separação da molécula de H20 nas moléculas de H2 e O2), tanto visando a geração de gás hidrogênio (H2) quanto a degradação de poluentes orgânicos. Nesse sentido, seria o Nb uma boa alternativa como agente auxiliar para o catalisador de paládio?

No novo estudo, os pesquisadores da UFABC resolveram investigar o uso de Nb como auxiliar metálico para o Pd nas funções catalíticas de oxidação do glicerol. Para isso foram testados diferentes eletrocatalisadores binários de fórmula geral PdxNby/C.

Os pesquisadores mostraram que o uso de Nb aumentou significativamente a taxa de transferência de elétrons do Pd para o suporte de carbono vítreo e a eficiência geral da atividade eletroquímica, com o catalisador Pd1Nb1/C (um compósito de paládio e nióbio na proporção de 1:1 depositado sobre o eletrodo de carbono vítreo) apresentando o melhor desempenho. Em solução alcalina (usando KOH como eletrólito) e a 70°C, o Pd1Nb1/C permitiu a produção de 27 mW/cm2 a partir da oxidação de glicerol. Além disso, a adição de Nb permitiu cortar pela metade a necessidade de uso do valioso e caro Pd, diminuindo substancialmente o custo geral da célula. Aliás, o Pd é mais valorizado do que o ouro (Au) no mercado.

Além de atuar diretamente melhorando a energia produzida no processo eletroquímico, a principal função benéfica do paládio, segundo os pesquisadores, é a redução do envenenamento do catalisador, ao facilitar a oxidação completa de intermediários produzidos que podem ser adsorvidos na superfície do paládio, como o dióxido de carbono (CO). Nesse último caso, um dos mecanismos propostos é que o Nb pode preencher a banda eletrônica 'd' do Pd, tornando difícil a interação desse metal com elétrons sigma do CO e, consequentemente, dificultando a adsorção de CO no Pd.

As FC a base de Nb sendo desenvolvidas pelos pesquisadores visa por enquanto a utilização como uma bateria de glicerol para recarregar pequenos aparelhos eletrônicos, como celulares e notebooks. Porém, em um futuro próximo, elas podem ser adaptadas para possibilitar a alimentação de carros elétronicos ou mesmo para suprir a energia elétrica de residências.

(1) Publicação do estudo: ChemElectroChem

Referência adicional: FAPESP