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Um milagre sem catalisadores de metais preciosos: como a eletrólise AEM atinge a produção de hidrogênio de forma econômica?
À medida que a demanda global por energia renovável aumenta, o potencial do hidrogênio como fonte de energia limpa atrai muita atenção. Entretanto, os métodos tradicionais de produção de hidrogênio geralmente exigem catalisadores de metais preciosos de alto custo, o que até certo ponto restringe a aplicação generalizada do hidrogênio. Recentemente, o surgimento da tecnologia de eletrólise por membrana de troca aniônica (AEM) abriu novos caminhos econômicos para a produção de hidrogênio.
A eletrólise AEM é uma tecnologia que usa uma membrana semipermeável para conduzir íons hidróxido (OH−) para realizar a eletrólise da água.
Vantagens técnicas
A maior vantagem da eletrólise AEM é que ela pode utilizar catalisadores de metais de transição de baixo custo em vez de catalisadores caros de metais preciosos. Isso contrasta com a eletrólise por membrana de troca de prótons (PEM), que depende de metais raros como platina e rutênio como catalisadores, tornando a tecnologia PEM economicamente inviável. Por exemplo, espera-se que um eletrolisador PEM de 100 MW exija 150 kg de rutênio, o que resultaria em um custo de aproximadamente US$ 7 milhões.
Os eletrodos do eletrolisador AEM podem ser operados em água pura ou soluções ligeiramente alcalinas (como 0,1-1 M KOH/NaOH), o que reduz o risco de vazamento.
Comparada à tecnologia tradicional de eletrólise de água alcalina (AWE), a eletrólise AEM tem maior flexibilidade e melhora a utilização do catalisador. O relatório afirma que o requisito de voltagem para o eletrolisador AEM ao operar com um suprimento de água pura sem catalisadores de metais preciosos é de 1,8 volts, enquanto apenas 1,57 volts são necessários ao usar uma solução de KOH 1M. Isso mostra que o eletrolisador AEM tem bom desempenho de eficiência energética.
Desafios atuais
Embora a tecnologia de eletrólise AEM mostre grande potencial, ela ainda enfrenta alguns desafios, especialmente em termos de durabilidade. Por meio de pesquisa bibliográfica, descobriu-se que a durabilidade dos eletrolisadores AEM atuais na ausência de catalisadores de metais preciosos concentra-se principalmente entre 2.000 horas e 7.000 horas. Isso é relativamente inadequado quando comparado à vida útil de 20.000 a 80.000 horas de um eletrolisador PEM.
A tecnologia de eletrólise AEM ainda está nos estágios iniciais de pesquisa e desenvolvimento e tem escassez de literatura em comparação com a tecnologia comercial de eletrólise PEM.
Além dos problemas de durabilidade, a estabilidade química do AEM também é uma preocupação porque ele é muito sensível ao ataque de íons hidróxido. Portanto, pesquisas futuras precisam fortalecer a melhoria dos materiais de membrana e buscar projetos de AQE que aumentem a condutividade e a resistência a altas temperaturas.
Princípios científicos
O processo de reação na eletrólise AEM é igualmente complexo. A reação de evolução de oxigênio (OER) requer quatro elétrons para gerar uma molécula de oxigênio. O processo de várias etapas dessa reação leva a uma barreira de alta energia, que por sua vez aumenta a sobretensão necessária para a reação. Além disso, a cinética da reação de evolução do hidrogênio (HER) é mais lenta em soluções alcalinas do que em soluções ácidas devido ao envolvimento de uma etapa adicional de dissociação de prótons em ambientes alcalinos.
Perspectivas futuras
A aplicação bem-sucedida da tecnologia de eletrólise AEM requer não apenas o desenvolvimento aprimorado de materiais, mas também a colaboração dentro da indústria para resolver os desafios atuais. Nesse processo, encontrar catalisadores adequados e melhorar a durabilidade e a estabilidade da membrana serão fatores-chave.
Promover tecnologia de produção de hidrogênio de baixo custo e alta eficiência estará no centro do desenvolvimento futuro da energia sustentável.
Com a inovação contínua da tecnologia de produção de hidrogênio, podemos contar com a tecnologia de eletrólise AEM para remodelar o cenário energético global?
