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. Este esforço tornou-se mais urgente à medida que o mundo enfrenta a crise climática e procura alternativas aos combustíveis fósseis.
Uma tecnologia que tem atraído atenção significativa é a célula a combustível de óxido sólido, ou SOFC. Ao contrário das baterias, que libertam energia química armazenada, estas células de combustível convertem combustível químico diretamente em eletricidade e produzem energia enquanto o combustível estiver disponível. Muitas pessoas já estão familiarizadas com as células a combustível de hidrogênio, que utilizam gás hidrogênio para produzir eletricidade e água.
Por que a alta temperatura operacional é um grande desafio?
Embora as SOFCs sejam conhecidas pela sua alta eficiência e longa vida operacional, elas têm uma séria limitação: elas requerem temperaturas extremamente altas, em torno de 700-800°C, para funcionar corretamente. Alcançar e manter essas temperaturas requer materiais especiais que possam suportar calor intenso, tornando os sistemas caros.
Pesquisadores da Universidade de Kyushu, reportando na Nature Materials, dizem agora que desenvolveram um SOFC que opera eficientemente a apenas 300 graus Celsius. Segundo a equipe, esse avanço poderia reduzir custos, ajudar a construir SOFCs de baixa temperatura e acelerar seu uso no mundo real.
Papel fundamental dos eletrólitos no desempenho da célula de combustível
No centro de cada SOFC está um material chamado eletrólito, uma camada de cerâmica que remove partículas carregadas entre os eletrodos da célula de combustível. Numa célula de combustível de hidrogénio, esta camada transporta iões de hidrogénio (também conhecidos como protões), que permitem à célula gerar eletricidade. No entanto, os eletrólitos normalmente requerem temperaturas muito altas para manter esses prótons se movendo rápido o suficiente para uma operação eficiente.
“Reduzir a temperatura operacional para 300 graus Celsius reduzirá os custos de materiais e abrirá as portas para sistemas de nível de consumidor”, disse Yoshihiro Yamazaki, professor da Plataforma de Pesquisa Energética Inter/Transdisciplinar da Universidade de Kyushu. “No entanto, nenhuma cerâmica conhecida poderia transportar prótons com rapidez suficiente sob condições tão ‘quentes’. Então, decidimos quebrar essa barreira.”
Resolvendo o problema do dopante em redes cristalinas
Os eletrólitos são compostos de átomos dispostos em uma rede cristalina. Os prótons se movem pelas lacunas entre esses átomos. Durante anos, os cientistas testaram vários materiais e dopantes químicos – substâncias que modificam as propriedades de um material – na esperança de acelerar o movimento dos prótons através da rede.
“Mas isto traz um desafio”, explica Yamazaki. “A adição de dopantes químicos pode aumentar o número de prótons móveis que passam por um eletrólito, mas isso geralmente obstrui a rede cristalina, desacelerando os prótons. Procurámos cristais de óxido que possam hospedar muitos prótons e permitir que se movam livremente – um equilíbrio que nossa nova pesquisa finalmente alcançou. “
Um avanço de 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 altos níveis de escândio (Sc), atingiu uma condutividade alvo de prótons superior a 0,01 S/cm a 300°C. Esta condutividade é semelhante à que o eletrólito SOFC atual atinge a 600-700°C.
“Análises estruturais e simulações de dinâmica molecular revelaram que os átomos de Sc se ligam aos oxigênios circundantes para formar um ‘ScO’6 rodovia’, ao longo da qual os prótons viajam com barreiras de migração incomumente baixas. Essa via é ampla e pulsa suavemente, o que evita a captura de prótons que normalmente afeta os óxidos fortemente dopados”, diz Yamazaki.3 e BaTiO3 são inerentemente ‘mais macios’ do que os materiais SOFC convencionais, permitindo-lhes absorver muito mais Sc do que se supunha anteriormente.”
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 a mobilidade iônica rápida, fornecendo um caminho promissor para SOFCs econômicos e de temperatura intermediária.
“Além das células de combustível, o mesmo princípio pode ser aplicado a outras tecnologias, como a eletrólise a baixa temperatura, bombas de hidrogénio e reatores que convertem CO2 em produtos químicos valiosos, multiplicando assim os efeitos da 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.
