A divisão da água do mar pode fornecer uma fonte inesgotável de hidrogênio verde

Poucas soluções climáticas vêm sem desvantagens. O hidrogênio "verde", produzido com o uso de energia renovável para dividir as moléculas de água, poderia abastecer veículos pesados ​​e descarbonizar indústrias como a siderúrgica sem expelir um cheiro de dióxido de carbono. Mas como as máquinas de separação de água, ou eletrolisadores, são projetadas para funcionar com água pura, aumentar a escala de hidrogênio verde pode exacerbar a escassez global de água doce. Agora, várias equipes de pesquisa estão relatando avanços na produção de hidrogênio diretamente da água do mar, que pode se tornar uma fonte inesgotável de hidrogênio verde.

"Esta é a direção para o futuro", diz Zhifeng Ren, físico da Universidade de Houston (UH). No entanto, Md Kibria, um químico de materiais da Universidade de Calgary, diz que por enquanto há uma solução mais barata: alimentar a água do mar em configurações de dessalinização que podem remover o sal antes que a água flua para os eletrolisadores convencionais.

Hoje, quase todo o hidrogênio é produzido quebrando o metano, queimando combustíveis fósseis para gerar o calor e a pressão necessários. Ambas as etapas liberam dióxido de carbono. O hidrogênio verde poderia substituir esse hidrogênio sujo, mas no momento custa mais que o dobro, cerca de US$ 5 por quilo. Isso se deve em parte ao alto custo dos eletrolisadores, que dependem de catalisadores feitos de metais preciosos. O Departamento de Energia dos EUA lançou recentemente um esforço de uma década para melhorar os eletrolisadores e reduzir o custo do hidrogênio verde para US$ 1 por quilo.

Se eles tiverem sucesso e a produção de hidrogênio verde disparar, a pressão poderá aumentar sobre os suprimentos de água doce do mundo. Gerar 1 quilo de hidrogênio usando eletrólise leva cerca de 10 quilos de água. A operação de caminhões e indústrias importantes com hidrogênio verde pode exigir cerca de 25 bilhões de metros cúbicos de água doce por ano, o equivalente ao consumo de água de um país com 62 milhões de pessoas, de acordo com a Agência Internacional de Energia Renovável.

A água do mar é quase ilimitada, mas dividi-la traz seus próprios problemas. Os eletrolisadores são construídos como baterias, com um par de eletrodos rodeados por um eletrólito aquoso. Em um projeto, os catalisadores no cátodo dividem as moléculas de água em íons de hidrogênio (H+) e hidroxila (OH-). O excesso de elétrons no cátodo costura pares de íons de hidrogênio em gás hidrogênio (H2), que borbulha para fora da água. Os íons OH-, enquanto isso, viajam através de uma membrana entre os eletrodos para alcançar o ânodo, onde os catalisadores ligam o oxigênio ao gás oxigênio (O2) que é liberado.

Quando a água do mar é usada, no entanto, o mesmo choque elétrico que gera O2 no ânodo também converte os íons de cloreto na água salgada em cloro gasoso altamente corrosivo, que corrói os eletrodos e catalisadores. Isso normalmente faz com que os eletrolisadores falhem em apenas algumas horas, quando normalmente podem operar por anos.

Agora, três grupos estão relatando esforços para deter essa corrosão. Pesquisadores liderados por Nasir Mahmood, cientista de materiais da RMIT University, em Melbourne, relataram na edição de 8 de fevereiro da Small que, ao revestir seus eletrodos com compostos carregados negativamente, como sulfatos e fosfatos, eles poderiam repelir íons cloreto carregados negativamente e impedir a formação de gás cloro. A equipe RMIT relatou praticamente nenhuma degradação em seus eletrodos por até 2 meses, embora tenha gerado apenas um fio de hidrogênio. Desde então, em um trabalho inédito, os pesquisadores reforçaram sua configuração para produzir hidrogênio tão rápido quanto os eletrolisadores comerciais de água doce, diz Mahmood.

Shizhang Qiao, um nanotecnólogo da Universidade de Adelaide, e seus colegas fizeram alterações em um segundo tipo de eletrolisador que usa uma membrana permeável apenas aos íons H+. Essa configuração divide as moléculas de água no ânodo em vez do cátodo, arrebatando elétrons para liberar íons H+. Os íons migram através da membrana para o cátodo, onde se combinam com os elétrons para formar H2. Qiao e seus colegas revestiram seus eletrodos com óxido de cromo, que atraiu uma bolha de íons OH- que repeliu os íons cloreto. O dispositivo dividiu a água do mar por 100 horas em altas correntes sem degradação, relataram na edição de 30 de janeiro da Nature Energy. "Estou muito feliz em ver um design tão inteligente", diz Shou Chen, físico de materiais da UH.