Os pesquisadores descobriram pela primeira vez que o mesmo nanocatalisador de prata (Ag) pode operar em diferentes locais de reação, dependendo se uma célula de óxido sólido está produzindo eletricidade ou hidrogênio. Esta descoberta aponta para uma nova forma de conceber estes dispositivos de energia da próxima geração para um melhor desempenho.
O trabalho foi liderado pelos professores Woochul Jung e Jeong Woo Han do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade Nacional de Seul (SNU), juntamente com a equipe do professor Song Ok Kim no KAIST e o Dr. Seus resultados ilustram como os nanocatalisadores de prata melhoram o desempenho das células de óxido sólido e mostram que tanto a localização quanto o mecanismo das reações de oxigênio mudam dependendo de como a célula está sendo usada.
Como funcionam as células de óxido sólido
As células de óxido sólido movem íons de oxigênio através de um material sólido para desempenhar duas funções diferentes. Eles podem gerar eletricidade ou dividir a água para produzir hidrogênio.
Por causa dessa versatilidade, a tecnologia é vista como uma opção importante para energia limpa e expansão do uso do hidrogênio. As aplicações potenciais vão desde sistemas combinados distribuídos de calor e energia em edifícios e fábricas até a geração de eletricidade usando calor de alta temperatura gerado durante a operação até a produção de hidrogênio verde com base em energia renovável.
As descobertas foram publicadas na revista de renome mundial Energia e Ciência Ambiental E destacando sua importância foram escolhidos como matéria de contracapa do Outside.
Descobrir onde os catalisadores fazem o seu trabalho
O desempenho e a durabilidade das células de óxido sólido dependem em grande parte da rapidez com que ocorre a reação do oxigênio no eletrodo de ar. Mas os eletrodos reais têm estruturas complexas, tornando difícil para os pesquisadores determinar onde os nanocatalisadores participam dessas reações e como melhoram o desempenho.
Pesquisas anteriores já haviam mostrado que os nanocatalisadores metálicos poderiam fazer com que essas células funcionassem melhor. Não ficou claro se a maior parte da atividade catalítica ocorreu diretamente na superfície do catalisador ou na fronteira onde o catalisador tocou o eletrodo. Os investigadores também não sabiam se o mesmo mecanismo catalítico era responsável tanto pela produção de eletricidade como pela produção de hidrogénio.
Para investigar essas questões, a equipe criou um eletrodo modelo com composição e estrutura cuidadosamente controladas, em vez de depender da arquitetura mais complexa dos eletrodos convencionais. Nanopartículas metálicas com tamanhos e espaçamentos semelhantes foram organizadas em padrões ordenados, permitindo aos pesquisadores investigar com mais precisão seus papéis catalíticos.
Os cientistas compararam primeiro vários nanocatalisadores metálicos, incluindo prata, cobalto, paládio e platina. Cada um foi depositado em um eletrodo de óxido de perovskita de filme fino e testado quanto à sua capacidade de acelerar reações de oxigênio.
A prata produziu a melhoria catalítica mais forte entre os metais testados.
locais de reação do interruptor de prata
Os pesquisadores então variaram o tamanho e a disposição das nanopartículas de prata para determinar onde ocorriam as reações mais significativas.
Durante a reação de redução de oxigênio (geração de eletricidade), a taxa de reação aumentou com o aumento do comprimento da fronteira entre as nanopartículas de prata e o eletrodo. Isto revelou que a interface entre a prata e o eletrodo é o principal local de reação quando a célula está gerando eletricidade.
A situação mudou durante a reação de evolução do oxigênio (produção de hidrogênio). Neste modo, a taxa de reação aumentou com a área superficial das nanopartículas de prata. Esse resultado mostrou que a superfície das próprias partículas de prata se torna o principal local de reação durante a produção de hidrogênio.
Em outras palavras, o mesmo nanocatalisador pode realizar sua química mais importante em dois locais diferentes, dependendo da direção em que o dispositivo de energia está trabalhando.
Os pesquisadores investigaram ainda mais essas diferenças ajustando a voltagem aplicada e a concentração de oxigênio. Eles descobriram que durante a privação de oxigênio, os nanocatalisadores de prata ajudam a transferir elétrons para o oxigênio. Durante a evolução do oxigénio, a prata ajuda a combinar átomos de oxigénio em moléculas de oxigénio e depois apoia a sua libertação.
Um olhar mais atento sobre o sistema nuclear
A equipe também usou análise baseada em síncrotron para observar mudanças que ocorrem na superfície do eletrodo durante a operação do sistema. Esses experimentos foram combinados com cálculos teóricos de nível atômico.
Os resultados mostraram que o nanocatalisador de prata altera a estrutura eletrônica da superfície do eletrodo de forma a promover a redução de oxigênio. Durante a evolução do oxigênio, eles criam condições que facilitam a união dos átomos de oxigênio.
Estas observações ajudam a explicar porque é que o catalisador se comporta de forma diferente dependendo se a célula está a produzir electricidade ou hidrogénio.
Uma nova estratégia para catalisadores de energia limpa
As descobertas mostram que os nanocatalisadores não devem ser vistos apenas como aditivos que aceleram as reações químicas. Seus locais ativos e mecanismos operacionais podem mudar com o modo operacional do sistema energético.
Essa visão oferece uma nova estratégia de design para células de óxido sólido. Em vez de otimizar o catalisador como um componente único, os pesquisadores podem melhorar o desempenho projetando separadamente a superfície do catalisador e a interface do eletrodo do catalisador ao desenvolver eletrodos de ar para células de combustível de óxido sólido e células de eletrólise de óxido sólido.
Se este princípio puder ser incorporado com sucesso em dispositivos práticos, poderá melhorar a eficiência da geração de energia em sistemas de energia distribuída utilizados em edifícios e fábricas. Poderia também reduzir a quantidade de eletricidade necessária para a eletrólise da água alimentada por energias renováveis, utilizada para produzir hidrogénio verde.
Esta abordagem também poderia ajudar no avanço das células reversíveis de óxido sólido, que são capazes de gerar eletricidade e produzir hidrogênio dentro do mesmo sistema. Tais dispositivos poderiam apoiar uma produção e armazenamento de energia mais eficientes em residências e instalações industriais.
Uma plataforma para o estudo de outros catalisadores
Os eletrodos modelo baseados em matriz de nanopartículas controlados com precisão desenvolvidos pelos pesquisadores também fornecem uma maneira de identificar onde os catalisadores operam e como funcionam em sistemas de energia reais.
A plataforma poderia ser mais útil do que células de óxido sólido. As aplicações potenciais incluem dispositivos de produção de hidrogênio, outras tecnologias de conversão de energia eletroquímica e sistemas de separação de oxigênio.
O professor Woochul Jung, que liderou o estudo, disse: “Esta pesquisa é importante porque avalia quantitativamente o desempenho dos nanocatalisadores, ao mesmo tempo que identifica seus locais de reação reais e mecanismos operacionais”.
Ele disse: “Planejamos estabelecer isso como um novo princípio de design que pode ser aplicado a uma variedade de materiais de conversão de energia e sistemas catalíticos”.
Jinwook Kim, que liderou a pesquisa, é atualmente pesquisador de pós-doutorado na Northwestern University e em breve ingressará na Universidade de Seul como professor assistente no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. Ele planeja continuar estudando nanocatalisadores e células de óxido sólido, com o objetivo de estender esse trabalho ao desenvolvimento de materiais e dispositivos de conversão de energia de alta eficiência.
Esta pesquisa foi apoiada pelo Ministério da Ciência e TIC e pela Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia (RS-2024-00452853, RS-2025-00521316). A pesquisa AP-XPS baseada em síncrotron na linha de luz KBSI-PAL 8A2 AP-XPS foi apoiada pelo Pohang Accelerator Laboratory/POSTECH e pelo Korea Basic Science Institute.
