MADRID 11 mar. (EUROPA PRESS) -
Pela primeira vez, cientistas da Northwestern University observaram moléculas de água em tempo real enquanto elas se preparam para ceder elétrons para formar oxigênio.
No momento crucial antes de produzir oxigênio, as moléculas de água fizeram um truque inesperado: viraram-se.
Como essas acrobacias exigem muita energia, as observações ajudam a explicar por que a divisão da água utiliza mais energia do que os cálculos teóricos sugerem. As descobertas também podem levar a novos insights para aumentar a eficiência da divisão da água, um processo que promete gerar combustível limpo de hidrogênio e produzir oxigênio respirável durante futuras missões em Marte. O estudo foi publicado na revista Science Advances.
"Quando você divide a água, ocorrem duas semi-reações", disse Franz Geiger, professor de química da Northwestern, que liderou o estudo.
"Uma meia-reação produz hidrogênio e a outra produz oxigênio. A meia-reação que produz oxigênio é realmente difícil de fazer porque tudo tem que se alinhar perfeitamente. Ela acaba consumindo mais energia do que o calculado teoricamente. Se você fizer os cálculos, isso deve exigir 1,23 volts. Mas, na realidade, são necessários mais de 1,5 ou 1,6 volts.
"Fornecer essa tensão extra custa dinheiro, e é por isso que a divisão da água não foi implementada em grande escala. Argumentamos que a energia necessária para inverter a água contribui significativamente para a necessidade dessa potência adicional. "Se projetarmos novos catalisadores que facilitem a separação da água, poderemos torná-la mais prática e econômica."
COMBUSTÍVEL DE HIDROGÊNIO
Como o clima continua a esquentar, os pesquisadores estão cada vez mais interessados na divisão da água como uma forma de produzir combustíveis limpos de hidrogênio como alternativa aos combustíveis fósseis. Para realizar o processo, os cientistas adicionam água a um eletrodo de metal e, em seguida, aplicam uma tensão.
Essa eletricidade divide as moléculas de água em dois componentes (hidrogênio e oxigênio) sem nenhum subproduto indesejado. A partir daí, os pesquisadores podem coletar o hidrogênio para combustível ou reutilizar o hidrogênio e o oxigênio em células de combustível com eficiência energética.
Embora a divisão da água possa desempenhar um papel importante em uma futura economia baseada em energia limpa, ela enfrenta vários desafios. O principal problema é que a parte de oxigênio da reação, chamada de reação de evolução do oxigênio (OER), pode ser difícil e ineficiente. Embora seja mais eficiente quando o irídio é usado como eletrodo, Geiger disse que os cientistas precisam de alternativas mais econômicas.
"O irídio só chega à Terra por meio de impactos meteóricos, portanto, há uma quantidade limitada", disse ele. "É muito caro e certamente não ajudará a resolver a crise energética em um futuro próximo. Os pesquisadores estão procurando alternativas, como o níquel e o ferro, e esperamos encontrar maneiras de tornar esses materiais tão eficientes, se não mais eficientes, do que o irídio."
Para entender por que alguns catalisadores são melhores que outros, a equipe de Geiger queria ver o processo REA em ação. Para obter essa visão sem precedentes, sua equipe desenvolveu uma nova e sofisticada técnica para observar como as moléculas de água interagem com o eletrodo de metal em tempo real.
Primeiro, eles adicionaram um eletrodo e água em um recipiente especial. Em seguida, apontaram um laser para a superfície do eletrodo e mediram a intensidade da luz na metade do comprimento de onda.
O processo, chamado de geração de segundo harmônico, é como ouvir o primeiro tom de um diapasão quando ele é tocado com um pouco mais de força do que o normal. Mas, usando vários componentes ópticos (lentes, espelhos e cristais), os pesquisadores manipularam o feixe de laser para obter mais informações.
"Nossa técnica é o equivalente óptico dos fones de ouvido com cancelamento de ruído", disse Geiger. "Basicamente, podemos controlar a interferência construtiva e desconstrutiva (a fase do fóton) e, a partir disso, podemos quantificar com precisão quantas moléculas de água estão apontando para a superfície e quantas se reorganizam para apontar para longe dela."
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