Por décadas, pesquisadores em todo o mundo têm procurado alternativas ao irídio, um metal extremamente raro e incrivelmente caro, utilizado na produção de combustíveis de hidrogênio limpos.
Agora, uma nova ferramenta poderosa encontrou uma alternativa — em uma única tarde.
Inventada e desenvolvida na Universidade Northwestern, essa ferramenta é chamada de megalibrary. A primeira “fábrica de dados” de nanomateriais do mundo, cada megalibrary contém milhões de nanopartículas projetadas de forma única em um pequeno chip. Em colaboração com pesquisadores do Toyota Research Institute (TRI), a equipe usou essa tecnologia para descobrir catalisadores comercialmente relevantes para a produção de hidrogênio. Em seguida, eles ampliaram o material e demonstraram que ele poderia funcionar dentro de um dispositivo — tudo em tempo recorde.
Com uma megalibrary, os cientistas rastrearam rapidamente vastas combinações de quatro metais abundantes e baratos — cada um conhecido por seu desempenho catalítico — para encontrar um novo material com desempenho comparável ao do irídio. A equipe descobriu um material totalmente novo que, em experimentos de laboratório, igualou ou, em alguns casos, superou o desempenho dos materiais comerciais à base de irídio, mas a uma fração do custo.
Essa descoberta não apenas torna o hidrogênio verde acessível uma possibilidade; ela também prova a eficácia da nova abordagem da megalibrary, que pode mudar completamente a forma como os pesquisadores encontram novos materiais para uma série de aplicações.
O estudo foi publicado em 19 de agosto na Journal of the American Chemical Society (JACS).
“Desencadeamos, sem dúvida, a ferramenta de síntese mais poderosa do mundo, que permite explorar o enorme número de combinações disponíveis para químicos e cientistas de materiais para encontrar materiais que importam,” disse Chad A. Mirkin, da Northwestern, autor sênior do estudo e inventor principal da plataforma megalibrary. “Neste projeto em particular, canalizamos essa capacidade para um grande problema enfrentado pelo setor de energia. Ou seja: Como encontramos um material que seja tão bom quanto o irídio, mas que seja mais abundante, mais disponível e muito mais barato? Esta nova ferramenta nos permitiu encontrar uma alternativa promissora e fazê-lo rapidamente.”
Pioneiro em nanotecnologia, Mirkin é professor George B. Rathmann de Química na Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern; professor de engenharia química e biológica, engenharia biomédica e ciência e engenharia de materiais na McCormick School of Engineering; e diretor executivo do Instituto Internacional de Nanotecnologia. Mirkin co-liderou o trabalho com Ted Sargent, professor Lynn Hopton Davis e Greg Davis de Química na Weinberg, professor de engenharia elétrica e de computação na McCormick e diretor executivo do Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy.
‘Não há irídio suficiente no mundo’
À medida que o mundo se afasta dos combustíveis fósseis e avança em direção à descarbonização, o hidrogênio verde acessível emergiu como uma peça crítica do quebra-cabeça. Para produzir energia de hidrogênio limpa, os cientistas recorreram à separação da água, um processo que utiliza eletricidade para dividir as moléculas de água em seus dois componentes constituintes — hidrogênio e oxigênio.
A parte oxigenada dessa reação, chamada de reação de evolução de oxigênio (OER), no entanto, é difícil e ineficiente. A OER é mais eficaz quando os cientistas usam catalisadores à base de irídio, que apresentam desvantagens significativas. O irídio é raro, caro e muitas vezes obtido como subproduto da mineração de platina. Mais valioso que o ouro, o irídio custa quase $5.000 por onça.
“Não há irídio suficiente no mundo para atender a todas as nossas necessidades projetadas,” disse Sargent. “À medida que pensamos em dividir a água para gerar formas alternativas de energia, simplesmente não há suficiente irídio do ponto de vista da oferta.”
‘Um exército completo implantado em um chip’
Mirkin, que introduziu as megalibraries em 2016, decidiu com Sargent que encontrar novos candidatos para substituir o irídio era uma aplicação perfeita para sua ferramenta revolucionária. Enquanto a descoberta de materiais é tradicionalmente uma tarefa lenta e desafiadora, repleta de tentativa e erro, as megalibraries permitem que os cientistas achem composições ótimas em velocidades impressionantes.
Cada megalibrary é criada com arrays de centenas de milhares de pequenas pontas em forma de pirâmide para imprimir “pontos” individuais em uma superfície. Cada ponto contém uma mistura de sais metálicos projetada intencionalmente. Quando aquecidos, os sais metálicos são reduzidos para formar nanopartículas únicas, cada uma com uma composição e tamanho precisos.
“Você pode pensar em cada ponta como uma pessoa pequena em um laboratório pequeno,” disse Mirkin. “Em vez de ter uma pessoa pequena fazendo uma estrutura de cada vez, você tem milhões de pessoas. Portanto, você basicamente tem um exército completo de pesquisadores implantados em um chip.”
E o vencedor é…
No novo estudo, o chip continha 156 milhões de partículas, cada uma feita de diferentes combinações de rutenio, cobalto, manganês e cromo. Um scanner robótico então avaliou quão bem as partículas mais promissoras poderiam desempenhar uma OER. Com base nessas análises, Mirkin e sua equipe selecionaram os candidatos com melhor desempenho para passar por mais testes no laboratório.
Eventualmente, uma composição se destacou: uma combinação precisa de todos os quatro metais (Ru52Co33Mn9Cr6 óxido). Catalisadores de múltiplos metais são conhecidos por provocar efeitos sinérgicos que podem torná-los mais ativos do que os catalisadores de um único metal.
“Nosso catalisador tem, na verdade, uma atividade um pouco superior à do irídio e excelente estabilidade,” disse Mirkin. “Isso é raro porque, muitas vezes, o rutenio é menos estável. Mas os outros elementos na composição estabilizam o rutenio.”
A capacidade de rastrear partículas para seu desempenho final é uma nova inovação significativa. “Pela primeira vez, não só fomos capazes de rastrear rapidamente catalisadores, mas vimos os melhores deles se destacando em um ambiente escalado,” disse Joseph Montoya, cientista sênior da TRI e coautor do estudo.
Em testes de longa duração, o novo catalisador operou por mais de 1.000 horas com alta eficiência e excelente estabilidade em um ambiente ácido severo. Ele também é dramaticamente mais barato que o irídio — cerca de um dezesseis avos do custo.
“Há muito trabalho a ser feito para tornar isso comercialmente viável, mas é muito empolgante que possamos identificar catalisadores promissores tão rapidamente — não só em escala de laboratório, mas para dispositivos,” disse Montoya.
Apenas o começo
Gerando conjuntos de dados de materiais de alta qualidade massiva, a abordagem megalibrary também prepara o terreno para o uso de inteligência artificial (IA) e aprendizado de máquina para projetar a próxima geração de novos materiais. Northwestern, TRI e Mattiq, uma empresa derivada da Northwestern, já desenvolveram algoritmos de aprendizado de máquina para filtrar as megalibraries em velocidades recordes.
Mirkin afirma que isso é apenas o começo. Com a IA, a abordagem poderia ser ampliada além dos catalisadores para revolucionar a descoberta de materiais para praticamente qualquer tecnologia, como baterias, dispositivos biomédicos e componentes ópticos avançados.
“Vamos procurar todo tipo de materiais para baterias, fusão e mais,” afirmou. “O mundo não usa os melhores materiais para suas necessidades. As pessoas encontraram os melhores materiais em um certo ponto no tempo, dadas as ferramentas disponíveis para elas. O problema é que agora temos uma enorme infraestrutura construída em torno desses materiais, e estamos presos a eles. Queremos reverter isso. É hora de realmente encontrar os melhores materiais para cada necessidade — sem compromisso.”
Sobre o estudo
O estudo, “Acelerando o ritmo da descoberta de catalisadores da reação de evolução de oxigênio através de megalibraries,” foi apoiado pelo Toyota Research Institute, Mattiq e o Army Research Office, uma diretoria do U.S. Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory (número do prêmio W911NF-23-1-0285). Esta publicação foi possível com o apoio do Bioindustrial Manufacturing and Design Ecosystem (BioMADE); o conteúdo expresso aqui é de responsabilidade dos autores e não reflete necessariamente as opiniões do BioMADE.
Este material é baseado em pesquisa patrocinada pela Força Aérea sob o número de acordo FA8650-21-2-5028. O Governo dos EUA está autorizado a reproduzir e distribuir reimpressões para fins governamentais, apesar de qualquer anotação de direitos autorais existente.
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