Óxidos perovskitas hexagonais prometem avanços em células a combustível de cerâmica protônica

São PauloPesquisadores do Tokyo Tech alcançaram um avanço significativo na tecnologia de células a combustível. Eles descobriram que óxidos relacionados à perovskita hexagonal, especialmente Ba₅R₂Al₂SnO₁₃ (onde R é um metal de terra rara), podem ser materiais eficazes para células a combustível de cerâmica protônica (PCFCs). Esta descoberta é promissora para o desenvolvimento de melhores células a combustível.

• Alta condutividade de prótons
• Estabilidade térmica excepcional
• Estrutura cristalina única
• Capacidade total de hidratação
• Elevada difusão de prótons

Células de Combustível: Energia Limpa e Eficiente

As células de combustível geram eletricidade ao combinar hidrogênio e oxigênio, produzindo apenas água e calor como resíduos. Elas possuem três componentes principais: anodo, catodo e eletrólito. No anodo, o hidrogênio se divide em prótons (H⁺) e elétrons. Os prótons passam pelo eletrólito até o catodo, onde se unem ao oxigênio para formar água.

A maioria das células a combustível, conhecidas como células a combustível de óxido sólido (SOFCs), utilizam condutores de íons óxidos e precisam de altas temperaturas para funcionar, o que pode desgastar os materiais com o tempo. Pesquisadores estão investigando as células a combustível de cerâmica protônica (PCFCs) porque elas podem operar em temperaturas mais baixas (200-500 °C). No entanto, encontrar materiais que tenham boa condutividade de prótons e sejam estáveis nessas temperaturas mais baixas é um desafio.

Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Tóquio e da Universidade de Tohoku, liderados pelo Professor Masatomo Yashima, descobriram que os óxidos Ba₅R₂Al₂SnO₁₃ podem ser excelentes eletrólitos. Esses óxidos apresentaram alta condutividade protônica, cerca de 0,01 S cm⁻¹ a aproximadamente 300 °C, superando outros materiais similares. Os metais de terras raras utilizados no estudo foram Gd, Dy, Ho, Y, Er, Tm e Yb.

A alta condutividade de prótons deve-se à estrutura cristalina especial do material. Ele possui camadas de octaedros e camadas pobres em oxigênio chamadas A O₃-δ (h'). Quando a água é adicionada, os espaços vazios nessas camadas são preenchidos, formando grupos hidroxila (OH⁻) que liberam prótons (H⁺). Esses prótons então se movem através da estrutura, melhorando a condutividade.

Leia também:

Hoje · 10:23

Nova teoria: dinâmicas das crenças individuais e coletivas

Os pesquisadores sintetizaram BEAS por meio de reações em estado sólido. Este material apresentou muitas vacâncias de oxigênio (δ = 0.2) e conseguiu se hidratar completamente, absorvendo água totalmente. Em um ambiente de nitrogênio úmido a 356 °C, sua condutividade foi 2.100 vezes maior do que em um ambiente de nitrogênio seco. Quando totalmente hidratado, sua condutividade chegou a 0,01 S cm⁻¹ a 303 °C.

As camadas octaédricas permitem que os prótons se movam facilmente, aumentando a condutividade prótonica. Simulações demonstraram que os prótons nessas camadas percorrem longas distâncias, indicando um movimento rápido. Yashima explica que o BEAS possui alta condutividade prótonica devido ao elevado número de prótons e à alta taxa de difusão.

O material mantém-se estável em substâncias químicas nas temperaturas utilizadas em operações de PCFC. Testes realizados a 600 °C com vapor d'água, oxigênio, ar, hidrogênio e CO₂ não mostraram alterações na sua composição e estrutura. Isso indica que o material é resistente e pode ser usado continuamente sem se degradar.

Yashima afirma que a alta condutividade de prótons em certos materiais com muitas lacunas de oxigênio é uma maneira eficaz de criar condutores de prótons eficientes para o futuro.

Este material pode tornar as células de combustível mais eficientes, duradouras e funcionar em temperaturas mais baixas.