Um grupo de pesquisadores implementou membranas de troca aniônica (AEMs) à base de polifenileno preparadas para tornar a produção de hidrogênio mais eficiente e durável. Seu design hidrofóbico robusto permite o transporte eficaz de íons, ao mesmo tempo que resiste à degradação química. Isto apoia o seu potencial para uso durável e de alta eficiência em eletrolisadores de água AEM, tornando-o um componente promissor em aplicações de produção sustentável de hidrogênio, o que promoveria a meta de um futuro energético livre de carbono.
O hidrogénio é uma fonte de energia promissora devido à sua elevada densidade energética e às emissões nulas de carbono, o que o torna um elemento-chave na mudança para a neutralidade carbónica. Os métodos tradicionais de produção de hidrogénio, como a gaseificação do carvão e a reforma do metano a vapor, libertam dióxido de carbono, prejudicando os objetivos ambientais. A divisão eletroquímica da água, que produz apenas hidrogênio e oxigênio, apresenta uma alternativa mais limpa. Embora a membrana de troca de prótons (PEM) e os eletrolisadores de água alcalina (AWEs) estejam disponíveis, eles enfrentam limitações de custo ou eficiência. Os eletrolisadores PEM, por exemplo, dependem de metais caros do grupo da platina (PGMs) como catalisadores, enquanto os AWEs geralmente operam com densidades de corrente e eficiências mais baixas.
Os eletrolisadores de água com membrana de troca aniônica (AEMWEs) combinam benefícios de PEM e AWEs, usando catalisadores não PGM de baixo custo, ao mesmo tempo em que suportam densidades de corrente mais altas e eficiências de conversão de energia. No entanto, os AEM enfrentam desafios técnicos, especialmente a degradação sob condições alcalinas, o que afeta a estabilidade a longo prazo. Os avanços nos materiais AEM, especialmente aqueles que melhoram a durabilidade química, a condutividade e a resistência mecânica, são essenciais para superar esses desafios.
Para resolver essas questões, o professor Kenji Miyatake da Universidade de Waseda, no Japão, trabalhando ao lado de pesquisadores da Universidade de Yamanashi, desenvolveu uma nova membrana de troca aniônica (AEM) com componentes hidrofóbicos duráveis. Eles publicaram seu estudo na revista Materiais Energéticos Avançados em 29 de setembro de 2024. Íon de alto hidróxido (OH–), a condutividade, essencial para um excelente desempenho nos eletrolisadores de água AEM (AEMWEs), é outra característica desta membrana, que é feita para suportar condições alcalinas extremas. Miyatake afirmou: “A membrana à base de polímero utilizada neste estudo satisfaz o requisito basic de materiais robustos e eficazes na produção de hidrogênio verde para uso na eletrólise da água.”
A incorporação de monômeros 3,3”-dicloro-2′,5′-bis(trifluorometil)-1,1′:4′,1”-terfenil (TFP) na estrutura de polifenileno da membrana é um aspecto essential deste avanço. Por sua composição aumentar a estabilidade, possui capacidade de suportar mais de 810 horas de exposição a altas concentrações de hidróxido de potássio a 80 °C, o que demonstra sua durabilidade em aplicações industriais.
A membrana demonstrou desempenho consistente durante o teste do eletrolisador de água, sustentando uma densidade de corrente constante de 1,0 A.cm–² por mais de 1.000 horas com alteração mínima de tensão. De acordo com Miyatake, “A durabilidade mostrada aqui é um sinal encorajador de que a nossa membrana pode ajudar a reduzir custos na produção de hidrogénio.”
Além disso, o OH da membrana– a condutividade atingiu 168,7 mS.cm-1 a 80 °C, superando os valores mencionados em pesquisas anteriores. Esta alta condutividade é crítica para alcançar as altas densidades de corrente necessárias para tornar a produção de hidrogênio eficiente. Ao combinar durabilidade com alta condutividade, a equipe acredita que o design deste materials marca um avanço importante em direção à produção de hidrogênio escalonável e acessível.
Com uma resistência à tração de 27,4 MPa e uma capacidade de alongamento de 125,6%, as membranas oferecem forte resiliência, benéfica para um desempenho estável ao longo do tempo. A durabilidade e a eficiência destes AEM tornam-nos num componente valioso na produção sustentável de hidrogénio, apoiando iniciativas energéticas neutras em carbono. Esses resultados são promissores para aplicações que envolvem hidrogênio verde.
O estudo demonstra com sucesso que AEMs à base de polifenileno com componentes hidrofóbicos melhoram significativamente a estabilidade e exibem alta condutividade de íons hidróxido com estabilidade alcalina superior, minimizando a degradação mesmo em ambientes desafiadores. A membrana permite um desempenho estável durante operação prolongada em altas densidades de corrente, marcando-a como uma opção eficiente e econômica para a produção de hidrogênio verde em eletrolisadores de água AEM.
Esta pesquisa nos trouxe um passo mais perto de um futuro de energia sustentável.
