Novo material reduz custo de célula combustível para gerar energia

Apesar de serem uma alternativa de menor impacto ambiental para geração de energia, células
combustíveis têm elevado custo de produção devido ao uso de platina nos eletrodos que obtêm
 eletricidade a partir de hidrogênio e oxigênio; estudo propõe uso de eletrodos impressos para
 viabilizar economicamente as células combustíveis – Foto: Alexandre Kuma via Flickr – CC

Produção de bolhas de hidrogênio na superfície do eletrodo impresso (à esquerda) e eletrodo saturado
de calomelano (SCE) utilizado como referência (à direita) – Foto: cedida pelo pesquisador

As células combustíveis são dispositivos que convertem energia química em energia elétrica,
transformando, por meio de eletrodos e eletrocatalisadores, hidrogênio em eletricidade. Esses eletrodos
 são feitos de platina, um metal muito raro, que encarece o custo de produção do equipamento.
Por esse motivo, uma pesquisa com participação da Escola Politécnica (Poli) da USP propõe o uso
 de eletrodos impressos com materiais de menor custo e desempenho similar ao da platina.
O método permitirá aumentar a escala de produção e viabilizar economicamente a geração de
energia por células combustíveis.

“Hoje em dia, as fontes de energia não renováveis têm o problema de apresentarem um elevado custo
 ambiental”, afirma Lucas Fugita, aluno de graduação em Engenharia Química da Poli, que participou
da pesquisa. “Uma das alternativas é o método das células combustíveis, equipamentos que convertem
energia química em energia elétrica, como as pilhas e baterias químicas. De maneira simplificada, uma
 célula combustível ácida utiliza hidrogênio (H2) como combustível e oxigênio (O2) como oxidante
para produzir água e corrente elétrica.”

As células combustíveis possuem um eletrodo que em contato com a água provoca uma Reação de
Evolução de Hidrogênio (HER), produzindo hidrogênio gasoso (H2). “Esse eletrodo usualmente é
feito de platina, um metal nobre e raro, o que torna a produção de energia muito dispendiosa”,
ressalta o pesquisador. “Por isso, a pesquisa propõe a utilização de eletrodos impressos, uma técnica
conhecida como Screen Printed Electrode (SPE).”

Célula combustível utiliza hidrogênio como combustível e oxigênio como oxidante, para produzir água
 e corrente elétrica – Imagem: cedida pelo pesquisador

Foto: Wikimedia Commons


Impressora
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A técnica utiliza uma impressora onde são inseridos os moldes a serem preenchidos com tinta,
gravando os eletrodos sobre uma base plástica. “Inicialmente foi aplicada uma tinta feita com carbono,
porém os eletrodos necessitavam de muito mais energia que a platina”, relata Fugita. “Depois foram
 testadas outras composições de tinta, e o dissulfeto de molibdênio (MoS2) conseguiu aumentar a
densidade da corrente elétrica e diminuir a energia necessária para iniciar a reação do hidrogênio, com
 desempenho similar à platina.”

Durante o processo de impressão, uma camada de MoS2 é depositada no eletrodo, e sua espessura
 depende do tempo de deposição. “Para descobrir qual era a espessura ideal, vários tempos de
deposição foram testados, de 7,5 a 120 minutos”, aponta o pesquisador. “Ao final dos experimentos,
descobriu-se que com 45 minutos de deposição acontecia o menor potencial de início de reação e a
 maior densidade de corrente, otimizando o funcionamento do eletrodo.”

Na pesquisa também foram experimentadas diferentes concentrações de MoS2, até se verificar que a
 tinta com 10% do composto também reúne as condições ideais de potencial e densidade para fazer a
 reação. “O uso da impressora permite que se possam produzir vários eletrodos de uma só vez”,
 ressalta Fugita. “O uso de um material de menor custo, com performance similar à platina, e a
fabricação em escala industrial poderão viabilizar economicamente o emprego de células combustíveis
 para produzir energia.”

Folha de eletrodo impresso (SPE) recém produzida com 22 unidades

Impressora DEK 248 Screen Printer, onde são feitos os eletrodos – Foto: cedida pelo pesquisador

Bolsa Empreendedorismo

Lucas Fugita: estudo em centro de pesquisa de células a combustível – Foto: Cecília Bastos/USP
Imagens

Por meio do edital de 2017 da Bolsa Empreendedorismo da Agência USP de Inovação (Auspin),
destinado a projetos de pesquisa com relevância e retorno para a sociedade, Fugita esteve na
Manchester Metropolitan University, no Reino Unido. Ali realizou estudos no Fuel Cell Innovation
Centre, coordenado pelo professor Craig Banks, dedicado a pesquisas sobre células combustíveis.


Mais informações: e-mail lucas.fugita@usp.br, com Lucas FugitaO trabalho teve a supervisão do
pesquisador Samuel Rowley Neale, primeiro autor do artigo “Magnetron Sputter-Coated Nanoparticle
 MoS2 Supported on Nanocarbon: A Highly Efficient Electrocatalyst toward the Hydrogen Evolution
 Reaction”. Publicado em 3 de julho no ACS Omega Journal, da American Chemical Society
(Estados Unidos), o texto apresenta as conclusões da pesquisa. Um novo artigo, sobre eletrodos
 impressos com tinta misturada a pequenas quantidades de platina, está em fase de preparação.

Autor: Jornal da USP
Fonte: Jornal da USP
Sítio Online da Publicação: Jornal da USP
Data: 27/08/2018
Publicação Original: https://jornal.usp.br/ciencias/ciencias-exatas-e-da-terra/novo-material-reduz-
custo-de-celula-combustivel-para-gerar-energia/