O hidrogênio é um portador de energia sustentável. O hidrogênio 'verde', ou seja, produzido com energia renovável, pode ser usado como armazenamento de energia e combustível. Para tornar sua produção e uso mais eficientes, duradouros e econômicos, são necessários novos materiais. As membranas utilizadas em células de combustível e eletrólisores são, em grande parte, responsáveis pela eficiência dos dispositivos. Tais membranas são frequentemente feitas de cerâmicas especiais.
A relação exata entre o comportamento dos íons de hidrogênio – os prótons – nas membranas de cerâmica e a estrutura do material ainda não é totalmente compreendida. Em um projeto financiado pelo Fundo Nacional Suíço (SNF), pesquisadores da Empa, liderados por Artur Braun, chefe de grupo no Laboratório de Cerâmica de Alto Desempenho, pretendem investigar esta questão em colaboração com parceiros de pesquisa internacionais.
Braun e sua equipe têm estudado condutores de prótons cerâmicos há 20 anos. Bons condutores de prótons precisam atender a duas exigências principais: devem ser capazes de absorver a maior quantidade possível de prótons, e os prótons devem se mover no material com a maior liberdade possível. No entanto, essas duas propriedades costumam ser conflitantes: ao otimizar uma delas, geralmente a outra se deteriora.
'Vegetação aborrecida em vez de caminho livre'
'Pode-se imaginar a membrana cerâmica como uma paisagem atravessada por estradas. Os prótons movem-se nessas estradas como carros', compara Braun. Quanto mais carros nas estradas, mais o trânsito se congestiona. 'Uma autoestrada de prótons de múltiplas faixas, onde as cargas fluem livremente em ambas as direções, é uma visão ideal', ele explica. No entanto, as membranas de prótons atualmente disponíveis se assemelham mais a um terreno acidentado, onde os prótons lutam para atravessar caminhos estreitos.
Mas, ao contrário das paisagens que conhecemos, as redes cristalinas das membranas cerâmicas são dinâmicas – ou seja, mutáveis. Em um trabalho anterior, a equipe de Braun demonstrou que a condutividade de prótons em cerâmicas bem condutoras nem sempre é constante, podendo ser menor em alguns momentos e alcançar picos em outros. 'É como se as montanhas e vales se nivelassem repentinamente. Os prótons adquirem, por assim dizer, caminho livre por um curto período', explica Braun. A equipe da Empa também conseguiu mostrar que o transporte de prótons em condutores cerâmicos está intimamente ligado às vibrações da rede cristalina – e que os prótons incorporados na rede podem alterar suas próprias vibrações.
'As respostas na rede cristalina'
Para entender melhor esse efeito, os pesquisadores, em seu projeto atual, não estão estudando um bom condutor de prótons, mas um mais fraco. O óxido de cério-lantânio (LCO) pode absorver uma grande quantidade de prótons, mas não os conduz. 'Se comparar um condutor de prótons medíocre a um congestionamento de tráfego, o LCO é realmente um engarrafamento', diz Braun.
No entanto, essa aparente desvantagem oferece aos pesquisadores uma oportunidade única para investigar o efeito da estrutura do material sobre a condutividade de prótons. Além de uma análise estrutural cristalográfica de alta resolução com nêutrons no Instituto Paul Scherrer (PSI), a equipe usa novos métodos em grandes instalações de pesquisa nos EUA e Japão para medir precisamente as vibrações da rede cristalina e verificar os modelos teóricos experimentalmente. 'Se entendermos as bases científicas da condutividade de prótons, poderemos, idealmente, determinar como futuras cerâmicas podem se tornar melhores condutores de prótons e, assim, permitir membranas mais eficientes para células de combustível e eletrólisores', explica o físico.
Contato:
Dr. Artur Braun
Cerâmica de Alto Desempenho
Tel. +41 58 765 48 50
artur.braun@empa.ch