Materiais condutores de prótons podem permitir novas tecnologias de energia verde | MIT Information



Materiais condutores de prótons podem permitir novas tecnologias de energia verde | MIT Information

Como o nome sugere, a maioria dos dispositivos eletrônicos hoje funcionam por meio do movimento de elétrons. Mas materiais que podem conduzir prótons eficientemente — o núcleo do átomo de hidrogênio — podem ser a chave para uma série de tecnologias importantes para combater a mudança climática international.

A maioria dos materiais inorgânicos condutores de prótons disponíveis agora requerem temperaturas indesejavelmente altas para atingir uma condutividade suficientemente alta. No entanto, alternativas de temperatura mais baixa podem permitir uma variedade de tecnologias, como células de combustível mais eficientes e duráveis ​​para produzir eletricidade limpa a partir do hidrogênio, eletrolisadores para fazer combustíveis limpos como hidrogênio para transporte, baterias de prótons de estado sólido e até mesmo novos tipos de dispositivos de computação baseados em efeitos ionoeletrônicos.

Para avançar no desenvolvimento de condutores de prótons, os engenheiros do MIT identificaram certas características de materiais que dão origem à condução rápida de prótons. Usando essas características quantitativamente, a equipe identificou meia dúzia de novos candidatos que se mostram promissores como condutores rápidos de prótons. Simulações sugerem que esses candidatos terão um desempenho muito melhor do que os materiais existentes, embora ainda precisem ser conformados experimentalmente. Além de descobrir novos materiais em potencial, a pesquisa também fornece uma compreensão mais profunda no nível atômico de como esses materiais funcionam.

As novas descobertas são descrito no diário Ciências da Energia e do Meio Ambienteem um artigo dos professores do MIT Bilge Yildiz e Ju Li, dos pós-doutores Pjotrs Zguns e Konstantin Klyukin, e sua colaboradora Sossina Haile e seus alunos da Northwestern College. Yildiz é a Professora Breene M. Kerr nos departamentos de Ciência e Engenharia Nuclear e Ciência e Engenharia de Materiais.

“Condutores de prótons são necessários em aplicações de conversão de energia limpa, como células de combustível, onde usamos hidrogênio para produzir eletricidade sem dióxido de carbono”, explica Yildiz. “Queremos fazer esse processo de forma eficiente e, portanto, precisamos de materiais que possam transportar prótons muito rápido por esses dispositivos.”

Os métodos atuais de produção de hidrogênio, por exemplo, reforma de metano a vapor, emitem uma grande quantidade de dióxido de carbono. “Uma maneira de eliminar isso é produzir hidrogênio eletroquimicamente a partir do vapor de água, e isso precisa de condutores de prótons muito bons”, diz Yildiz. A produção de outros produtos químicos industriais importantes e combustíveis potenciais, como amônia, também pode ser realizada por meio de sistemas eletroquímicos eficientes que exigem bons condutores de prótons.

Mas a maioria dos materiais inorgânicos que conduzem prótons só podem operar em temperaturas de 200 a 600 graus Celsius (aproximadamente 450 a 1.100 Fahrenheit), ou até mais altas. Essas temperaturas exigem energia para manter e podem causar degradação dos materiais. “Ir para temperaturas mais altas não é desejável porque isso torna todo o sistema mais desafiador, e a durabilidade do materials se torna um problema”, diz Yildiz. “Não há um bom condutor de prótons inorgânico em temperatura ambiente.” Hoje, o único condutor de prótons conhecido em temperatura ambiente é um materials polimérico que não é prático para aplicações em dispositivos de computação porque não pode ser facilmente reduzido para o regime nanométrico, diz ela.

Para lidar com o problema, a equipe primeiro precisou desenvolver uma compreensão básica e quantitativa de exatamente como a condução de prótons funciona, pegando uma classe de condutores de prótons inorgânicos, chamados ácidos sólidos. “É preciso primeiro entender o que governa a condução de prótons nesses compostos inorgânicos”, ela diz. Ao olhar para as configurações atômicas dos materiais, os pesquisadores identificaram um par de características que se relacionam diretamente com o potencial de transporte de prótons dos materiais.

Como Yildiz explica, a condução de prótons envolve primeiro um próton “saltando de um átomo de oxigênio doador para um oxigênio aceitador. E então o ambiente tem que se reorganizar e levar o próton aceito embora, para que ele possa saltar para outro aceitador vizinho, permitindo a difusão de prótons de longo alcance.” Esse processo acontece em muitos sólidos inorgânicos, ela diz. Descobrir como essa última parte funciona — como a rede atômica é reorganizada para levar o próton aceito embora do átomo doador authentic — foi uma parte elementary dessa pesquisa, ela diz.

Os pesquisadores usaram simulações de computador para estudar uma classe de materiais chamados ácidos sólidos que se tornam bons condutores de prótons acima de 200 graus Celsius. Essa classe de materiais tem uma subestrutura chamada sub-rede do grupo poliânion, e esses grupos têm que girar e levar o próton para longe de seu sítio authentic para que ele possa então ser transferido para outros sítios. Os pesquisadores conseguiram identificar os fônons que contribuem para a flexibilidade dessa sub-rede, que é essencial para a condução de prótons. Então eles usaram essas informações para vasculhar vastos bancos de dados de compostos teoricamente e experimentalmente possíveis, em busca de melhores materiais condutores de prótons.

Como resultado, eles encontraram compostos ácidos sólidos que são condutores de prótons promissores e que foram desenvolvidos e produzidos para uma variedade de aplicações diferentes, mas nunca antes estudados como condutores de prótons; esses compostos acabaram tendo as características certas de flexibilidade de rede. A equipe então realizou simulações de computador de como os materiais específicos que eles identificaram em sua triagem inicial se comportariam sob temperaturas relevantes, para confirmar sua adequação como condutores de prótons para células de combustível ou outros usos. Com certeza, eles encontraram seis materiais promissores, com velocidades de condução de prótons previstas mais rápidas do que os melhores condutores de prótons ácidos sólidos existentes.

“Há incertezas nessas simulações”, Yildiz adverte. “Não quero dizer exatamente o quanto maior será a condutividade, mas elas parecem muito promissoras. Espero que isso motive o campo experimental a tentar sintetizá-las em diferentes formas e fazer uso desses compostos como condutores de prótons.”

Traduzir essas descobertas teóricas em dispositivos práticos pode levar alguns anos, ela diz. As prováveis ​​primeiras aplicações seriam para células eletroquímicas para produzir combustíveis e matérias-primas químicas, como hidrogênio e amônia, ela diz.

O trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, pela Fundação Wallenberg e pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA.

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