Catalisadores de ferro tornam as células de combustível de hidrogênio práticas

Células de Combustível de Hidrogênio: Catalisadores de Ferro como Alternativa à Platina

O hidrogênio poderia, em teoria, ser o combustível perfeito para um futuro verde: ele pode ser produzido a partir de eletricidade renovável, não produz poluentes quando consumido e requer apenas água como material para sua produção.

No entanto, produzir hidrogênio a um custo suficientemente baixo tem sido um desafio. Sistemas alternativos, como coprodução de água doce ao mesmo tempo, novos catalisadores de hidrogênio que não requerem metais preciosos, ou fotocatálise, estão sendo explorados.

Outra etapa que reduz a viabilidade comercial do hidrogênio é a fase de consumo. Quando não utilizado em um motor de combustão (semelhante a um motor a combustível, com menor eficiência), são utilizadas células de combustível, que geralmente requerem platina cara como catalisador.

Isso não só torna as células de combustível mais caras, mas também pode dificultar a adoção em massa do hidrogênio como combustível, já que a platina e os metais associados, como o paládio, são muito raros na Terra, dificultando um aumento em sua produção.

Felizmente, alternativas estão surgindo, graças ao trabalho de cientistas chineses em muitas das principais instituições de pesquisa do país: a Academia Chinesa de Ciências, a Universidade de Shenzhen (China), a Universidade do Sudeste (China), a Universidade Tsinghua, a Universidade de Tecnologia Química de Pequim, a Universidade da Cidade de Hong Kong e a Universidade de Xiamen.

Eles publicaram¹ a descoberta de um novo catalisador à base de ferro para células de combustível na prestigiosa revista científica Nature, sob o título “Redução de oxigênio ácido por catalisadores de Fe de átomo único em suportes curvos".

Como funcionam as células de combustível

As partes das células de combustível que geram eletricidade a partir do consumo de hidrogênio são as membranas de troca de prótons (MEPs).

As células de combustível funcionam catalisando a conversão de hidrogênio (H₂) em prótons (íons H+) + elétrons, criando uma corrente elétrica. Como mencionado anteriormente, esse catalisador é tradicionalmente a platina, um metal caro.

Fonte: Wikipedia

Em vez disso, os cientistas chineses criaram um novo projeto de catalisador, descrito como “ativação interna, proteção externa”, que depende de ferro simples como catalisador.

Catalisadores de hidrogênio à base de ferro

Desafios dos catalisadores de ferro em células de combustível

A ideia de usar um catalisador de ferro, naturalmente capaz de capturar oxigênio (uma tendência que comumente conhecemos como “ferrugem”) e ligá-lo aos íons de hidrogênio, não é nova.

Mas, até agora, isso tem sido dificultado por reações químicas indesejadas, notadamente a forte adsorção de intermediários de reação oxigenados e a desmetalização de átomos de ferro. Assim, ou os átomos de ferro ficam "presos" a compostos ricos em oxigênio ou se tornam incapazes de atuar como catalisadores.

Para interromper essas reações indesejadas, os pesquisadores criaram uma nanoestrutura exclusiva para o catalisador de ferro.

Catalisadores de ferro oco nanoestruturados

Os catalisadores de ferro tradicionais dependem de uma superfície externa de suportes de grafeno ou carbono, limitando a quantidade de ferro acessível para as reações desejadas com o hidrogênio.

Em vez disso, o método usado foi criar uma superfície curva interna com um sítio catalisador de ferro de átomo único.

Cada um desses sítios está localizado em uma estrutura multicamada oca (HoMS) nanoconfinada. Esses nano HoMS estão espalhados e ligados a uma camada de carbono bidimensional, semelhante ao grafeno.

Fonte: researchgate

As nanopartículas ocas têm cerca de 10 nm × 4 nm de tamanho e consistem em múltiplas camadas onde átomos de ferro estão concentrados nas camadas internas em alta densidade. A espectroscopia de absorção de raios X síncrotron revelou que esses átomos de Fe internos estão a uma taxa de 57.9% em um estado cataliticamente ativo.

Fonte: researchgate

Ganhos de desempenho com catalisadores de ferro

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A nanoestrutura enfraquece a força de ligação dos intermediários de reação oxigenados, removendo uma grande limitação dos catalisadores à base de ferro.

Fonte: researchgate

Ele também reduz a taxa de produção do radical hidroxila (•OH), uma molécula muito reativa e prejudicial que é sempre um problema potencial nas reações de oxigênio-hidrogênio.

O resultado final é uma célula de combustível que usa catalisadores de ferro radicalmente superior a outros projetos, tanto em termos de densidade de potência de pico quanto em densidade de corrente (estrelas vermelhas abaixo), com uma densidade de potência recorde de 0.75 W cm−2 sob 1.0 bar H2–ar.

Fonte: researchgate

Este projeto de catalisador também é muito mais durável do que a iteração anterior de catalisadores à base de ferro, mantendo uma eficiência de 86% após mais de 300 horas de operação.

Fonte: researchgate

Conclusão

Uma economia de hidrogênio só será possível quando as considerações econômicas forem resolvidas, com catalisadores fáceis de produzir, contando com materiais abundantes e baratos.

Nesse contexto, o ferro, sendo um dos metais mais produzidos e baratos da Terra, seria um candidato ideal.

Isso também significa que a degradação relativamente rápida da eficiência ao longo do tempo (que provavelmente ainda poderia ser melhorada em relação ao primeiro projeto experimental) seria um problema menor, e a parte do catalisador da célula de combustível poderia ser trocada por uma nova regularmente, com a usada sendo reciclada ou regenerada para seu desempenho original.

Investindo em Tecnologia de Células de Combustível

Plug Power Inc.

A Plug Power é líder em hidrogênio verde, com foco em células de combustível. A empresa registra mais de 72,000 células de combustível instaladas em mais de 300 locais, com grande presença em frotas de movimentação de materiais. Em particular, suas células de combustível abastecem mais de 40,000 empilhadeiras, com um aumento de receita de 8 vezes desde 2013.

Ela também atua na construção de infraestrutura de hidrogênio, como produção de hidrogênio, logística, geração de energia em escala de serviço público e entregas.

Fonte: Poder da tomada

A empresa está buscando escala para reduzir os custos de produção de hidrogênio de US$ 10/kg para US$ 4/kg, ao mesmo tempo em que multiplica a produção por 14 vezes em 2027. Ela também deve substituir todo o hidrogênio de origem externa, que muitas vezes era revendido aos clientes com prejuízo.

Devido aos grandes investimentos para aumentar a capacidade de produção em 19 vezes desde 2020, a empresa ainda não é lucrativa, mas o progresso no fornecimento de seu próprio hidrogênio deve mudar isso.

A empresa vê suas soluções como um combustível de mobilidade direta ou um complemento aos veículos elétricos, já que o hidrogênio permite a redução da pressão na rede durante o horário de pico de carregamento dos veículos elétricos, o que não corresponde aos períodos de produção de energias renováveis ​​durante o dia.

Fonte: Poder da tomada

Como grande produtora de células de combustível, a Plug Power se beneficiaria muito de uma mudança para uma economia baseada em hidrogênio. Um catalisador de célula de combustível mais barato poderia ser integrado aos seus projetos, impulsionando a taxa de adoção de veículos a hidrogênio e o armazenamento de energia em escala de rede.

Portanto, isso faz da Plug Power uma boa ação para apostar em uma mudança em direção ao hidrogênio em geral, com um crescimento na demanda por suas células de combustível cada vez que um método mais barato para produzir, armazenar, transportar ou utilizar hidrogênio é inventado.

Últimas notícias e desenvolvimentos sobre ações da Plug Power Inc (PLUG)

Estudo Referenciado

^{1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C. et al. Redução de oxigênio ácido por catalisadores de Fe de átomo único em suportes curvos. Natureza 644, 668 – 675 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6}