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Stanford transforma água em combustível com um design inspirado nos pulmões

Stanford transforma água em combustível com um design inspirado nos pulmões

Cientistas da Universidade de Stanford desenvolveram um mecanismo eletrocatalítico que funciona como o pulmão de um mamífero para transformar água em combustível. A pesquisa, publicada em 20 de dezembro na revista Joule, pode ajudar as tecnologias de energia limpa existentes a trabalhar com mais eficiência.

O ato de inspirar e expirar é tão automático para a maioria dos organismos que poderia ser confundido com simplicidade, mas o processo de respiração dos mamíferos é, na verdade, um dos sistemas mais sofisticados de troca gasosa bidirecional na natureza.

A cada respiração, o ar se move através dos minúsculos bronquíolos nos pulmões, como uma passagem, até atingir minúsculos sacos chamados alvéolos. A partir daí, o gás deve passar para a corrente sanguínea sem simplesmente se difundir, causando a formação de bolhas prejudiciais. É a estrutura única dos alvéolos, que inclui uma membrana de um mícron de espessura que repele as moléculas de água para dentro e as atrai para a superfície externa, o que impede a formação dessas bolhas e faz as trocas gasosas altamente eficiente.

Os cientistas do laboratório do autor principal Yi Cui no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Stanford foram inspirados por este processo para desenvolver eletrocatalisadores melhores - materiais que aumentam a taxa de uma reação química em um eletrodo. "As tecnologias de energia limpa demonstraram a capacidade de entregar rapidamente o gás reagente à interface de reação, mas o caminho reverso, a evolução eficiente do produto de gás da interface catalisador / eletrólito, permanece um desafio", diz ele. Jun Li, o primeiro autor do estudo.

O mecanismo da equipe imita estruturalmente o alvéolo e realiza dois processos diferentes para potencializar as reações que impulsionam as tecnologias sustentáveis, como células de combustível e baterias de metal-ar.

O primeiro processo é análogo à expiração. O mecanismo divide a água para produzir gás hidrogênio, um combustível limpo, oxidando moléculas de água no ânodo de uma bateria e reduzindo-as no cátodo. O gás oxigênio (junto com o gás hidrogênio) é produzido e transportado rapidamente através de uma membrana fina semelhante a uma célula feita de polietileno, sem os custos de energia da formação de bolhas.

O segundo processo é mais parecido com a inalação e gera energia por meio de uma reação que consome oxigênio. O gás oxigênio é fornecido ao catalisador na superfície do eletrodo, para que possa ser usado como reagente durante as reações eletroquímicas.

Embora ainda esteja nos estágios iniciais de desenvolvimento, o design parece promissor. A membrana de nano-polietileno excepcionalmente fina permanece hidrofóbica por mais tempo do que as camadas convencionais de difusão de gás à base de carbono, e este modelo pode atingir taxas de densidade de corrente mais altas e overpotential mais baixo do que os projetos convencionais.

No entanto, esse design inspirado no pulmão ainda pode ser aprimorado antes de estar pronto para uso comercial. Como a membrana de nano-polietileno é um filme à base de polímero, ela não pode tolerar temperaturas acima de 100 graus Celsius, o que poderia limitar suas aplicações. A equipe acredita que esse material pode ser substituído por membranas nanoporosas hidrofóbicas, igualmente finas, capazes de suportar um calor maior. Eles também estão interessados ​​em incorporar outros eletrocatalisadores no design do dispositivo para explorar totalmente suas capacidades catalíticas.

"A estrutura que imita a respiração pode ser acoplada a muitos outros eletrocatalisadores de ponta, e a exploração adicional do eletrodo trifásico gás-líquido-sólido oferece oportunidades interessantes para catálise", disse Jun Li.

Mais informações: Joule, Li e outros: "Respiration-Imitation Electrocatalysis for Oxygen Evolution and Reduction" https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30564-6, DOI: 10.1016 / j .joule.2018.11.015

Artigo original (em inglês):


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