A imagem de neutrões revela o potencial de otimização para a conversão de CO₂
Ensaios de alta precisão em condições de funcionamento realistas
O dióxido de carbono (CO₂), gás com efeito de estufa nocivo para o clima, pode ser convertido por redução eletroquímica - eletrólise - em produtos quimicamente valiosos, como o monóxido de carbono (CO) ou o etanol, que podem ser utilizados como matérias-primas para a indústria ou para o fornecimento de energia sustentável. No entanto, um obstáculo fundamental à estabilidade a longo prazo desta tecnologia é a gestão da água e do sal na célula de eletrólise em que ocorre a reação química.
A equipa de investigação liderada pelo Dr. Joey Disch e pelo PD. Dr. Severin Vierrath da Hahn-Schickard e da Universidade de Freiburg, em colaboração com o Institut Laue-Langevin francês em Grenoble, fez progressos significativos na compreensão da distribuição da água durante a eletrólise do CO₂. O seu estudo foi publicado pela primeira vez na ACS Energy Letters e foi agora destacado na edição de fevereiro da Nature Catalysis. O estudo usa imagens de nêutrons de alta resolução - um dos métodos mais poderosos para estudar diretamente o transporte de água em eletrolisadores - para visualizar os mecanismos de transporte durante a operação pulsada de um eletrolisador de CO₂. Com uma resolução de 6 µm, este método permite uma investigação de alta precisão da distribuição de água e da formação de sal em condições de funcionamento realistas (400 mA cm-² a uma tensão de célula de 3,1 V e uma eficiência de Faraday para CO de 95 %). Ao contrário dos raios X, os neutrões penetram facilmente mesmo em componentes metálicos, visualizando muito bem o hidrogénio e, por conseguinte, as estruturas que contêm água.
Os resultados mostram uma clara estabilização do eletrolisador durante o funcionamento por impulsos, em que o potencial da célula é periodicamente ajustado a um potencial abaixo do início da redução durante um curto período de tempo. A imagem de neutrões fornece uma explicação para a estabilização e mostra que o teor de água na camada de difusão de gás aumenta durante as curtas interrupções de funcionamento, o que promove a quebra de depósitos de sal obstrutivos.
A redução eletroquímica de CO₂ abre perspectivas promissoras para uma reorganização sustentável da indústria de materiais de base química. Em particular, a eletrólise do CO₂ para a produção de monóxido de carbono, como um material de partida versátil para a indústria química, está no limiar da aplicação industrial: as células de eletrólise com membranas de permuta aniónica já impressionam pela sua notável eficiência graças à gestão optimizada do reagente e à minimização das perdas de resistência.
Estas descobertas fornecem, portanto, informações valiosas para otimizar a conceção e o funcionamento dos electrolisadores de CO₂, a fim de melhorar a eficiência e a estabilidade a longo prazo destes sistemas e remover do ambiente o gás com efeito de estufa nocivo CO2.
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Publicação original
Marçal Capdevila-Cortada; "Pulsed electrolysis through neutron lenses"; Nature Catalysis, Volume 8, 2025-2-26
Luca Bohn, Josephine Häberlein, Frederik Brendel, Lukas Metzler, Lukas Helfen, Alessandro Tengattini, Carolin Klose, Severin Vierrath, Joey Disch; "High-Resolution Neutron Imaging of Water Transport in CO2 Electrolysis during Pulsed Operation"; ACS Energy Letters, Volume 10, 2025-1-26
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