À medida que a demanda global por energia continua a crescer, pesquisadores, líderes da indústria, governos e outras partes interessadas estão colaborando para explorar novas maneiras de produzir energia. Esse esforço se tornou ainda mais urgente à medida que o mundo enfrenta a crise climática e busca alternativas aos combustíveis fósseis.
Uma tecnologia que está atraindo atenção significativa é a célula a combustível de óxido sólido, ou SOFC. Diferentemente das baterias, que liberam energia química armazenada, essas células a combustível convertem combustíveis químicos diretamente em eletricidade e continuam gerando energia enquanto houver combustível disponível. Muitas pessoas já estão familiarizadas com as células de combustível de hidrogênio, que utilizam gás hidrogênio para produzir eletricidade e água.
Por que Altas Temperaturas de Operação São um Grande Desafio
Embora as SOFCs sejam conhecidas por sua alta eficiência e longa vida útil, elas têm uma limitação séria: precisam de temperaturas extremamente altas, em torno de 700-800°C, para funcionar corretamente. Alcançar e manter essas temperaturas requer materiais especializados que possam suportar intenso calor, o que torna os sistemas caros.
Pesquisadores da Universidade de Kyushu, relatando na revista Nature Materials, afirmam ter desenvolvido uma SOFC que funciona de forma eficiente a apenas 300°C. Segundo a equipe, essa descoberta pode reduzir consideravelmente os custos, apoiar a criação de SOFCs de baixa temperatura e acelerar seu uso no mundo real.
O Papel Fundamental dos Eletrolitos no Desempenho da Célula a Combustível
No núcleo de cada SOFC está um componente chamado eletrolito, uma camada cerâmica que move partículas carregadas entre os eletrodos da célula a combustível. Nas células de combustível de hidrogênio, essa camada transporta íons de hidrogênio (também conhecidos como prótons), permitindo que a célula gere eletricidade. No entanto, o eletrolito geralmente precisa de temperaturas extremamente altas para manter esses prótons em movimento rápido o suficiente para uma operação eficiente.
“Reduzir a temperatura de trabalho para 300°C cortaria os custos de material e abriria portas para sistemas em nível de consumidor”, diz o Professor Yoshihiro Yamazaki da Plataforma de Pesquisa de Energia Inter-/Transdisciplinar da Universidade de Kyushu, que dirigiu o estudo. “No entanto, nenhum material cerâmico conhecido poderia transportar prótons suficientes rapidamente em condições ‘quentes’. Portanto, nos propusemos a quebrar esse gargalo.”
Resolvendoo Problema dos Dopantes em Redes Crísticas
Os eletrolitos são construídos a partir de átomos organizados em uma rede cristalina. Os prótons se movem pelos espaços entre esses átomos. Cientistas passaram anos testando vários materiais e dopantes químicos – substâncias que modificam as propriedades de um material – na esperança de aumentar a velocidade do movimento dos prótons através da rede.
“Mas isso também vem com um desafio”, explica Yamazaki. “Adicionar dopantes químicos pode aumentar o número de prótons móveis que passam por um eletrolito, mas geralmente entope a rede cristalina, desacelerando os prótons. Procuramos cristais de óxido que pudessem hospedar muitos prótons e permitir que eles se movessem livremente – um equilíbrio que nosso novo estudo finalmente alcançou.”
Uma Revolução a 300°C Usando BaSnO3 dopado com Sc e BaTiO3
Os pesquisadores descobriram que dois óxidos, o estanato de bário (BaSnO3) e o titanato de bário (BaTiO3), quando dopados com altos níveis de escândio (Sc), atingiram a condutividade de prótons alvo de mais de 0,01 S/cm a 300°C. Essa condutividade é semelhante ao que os eletrolitos de SOFCs atuais alcançam a 600-700°C.
“A análise estrutural e simulações de dinâmica molecular revelaram que os átomos de Sc conectam os oxigênios ao seu redor para formar uma ‘estrada de ScO6‘, ao longo da qual os prótons viajam com uma barreira de migração incomumente baixa. Esse caminho é amplo e vibra suavemente, o que impede a aprisionação de prótons que normalmente prejudica os óxidos fortemente dopados”, diz Yamazaki. “Dados de dinâmica de rede ainda revelaram que BaSnO3 e BaTiO3 são intrinsecamente ‘mais macios’ do que materiais de SOFC convencionais, permitindo-lhes absorver muito mais Sc do que se imaginava anteriormente.”
Abrindo Caminho para Células a Combustível de Baixa Temperatura Acessíveis
Esses resultados derrubam o compromisso de longa data entre adicionar mais dopantes e manter o movimento rápido de íons, oferecendo um caminho promissor para SOFCs de temperatura intermediária acessíveis.
“Além das células a combustível, o mesmo princípio pode ser aplicado a outras tecnologias, como eletrólise de baixa temperatura, bombas de hidrogênio e reatores que convertem CO2 em produtos químicos valiosos, multiplicando assim o impacto da descarbonização. Nosso trabalho transforma um paradoxo científico de longa data em uma solução prática, aproximando o poder do hidrogênio acessível da vida cotidiana”, conclui Yamazaki.
