Carnaúba revela como nanoespumas metálicas armazenam hidrogênio

Um estudo conduzido por pesquisadores da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) e publicado como destaque de contra-capa no Journal of Materials Chemistry A investigou uma possível solução para o armazenamento de hidrogênio baseada em nanoestruturas metálicas porosas, chamadas nanoespumas. Parte das análises foi realizada na linha de luz Carnaúba, do Sirius, cuja resolução espacial permitiu distinguir diferentes regiões do materials em escala nanométrica.

O desafio do armazenamento de hidrogênio

O hidrogênio é frequentemente colocado como um dos principais candidatos a protagonizar o processo de transição para uma matriz energética mais limpa. Ele pode ser produzido a partir de fontes renováveis e, quando utilizado, não libera carbono diretamente. No entanto, apesar desse potencial, sua adoção em larga escala ainda esbarra em um grande desafio, que envolve armazená-lo de forma eficiente, segura e economicamente viável. 

Os métodos mais utilizados atualmente, como o armazenamento sob alta pressão ou em temperaturas criogênicas, apresentam grandes limitações, seja pelo alto custo energético ou pelos desafios técnicos envolvidos. O grande desafio, portanto, é encontrar sistemas que consigam não apenas absorver quantidades significativas de hidrogênio, mas também liberá-lo sob condições práticas, o que exige um controle fino das interações entre o hidrogênio e o material. 

Uma nova abordagem com nanoestruturas metálicas

Para enfrentar esse desafio, os pesquisadores exploraram uma classe de materiais conhecida como nanoestruturas metálicas, incluindo sistemas baseados em platina e paládio. “Hoje existe um grande esforço para viabilizar tecnologias baseadas em hidrogênio, mas o armazenamento ainda é um dos principais obstáculos. Existem metas bem definidas, com o as do Departamento de Energia (DOE) dos Estados Unidos, e a gente ainda está muito longe de atingi-las”, explica o físico Fabiano Bernardi. 

A estratégia adotada pelo grupo partiu de uma ideia já conhecida na literatura: combinar diferentes metais para melhorar a interação com o hidrogênio. Mas, em vez de seguir a configuração tradicional, os pesquisadores inverteram a arquitetura do material. “A gente resolveu colocar a platina no interior e o paládio na parte externa. A ideia era aumentar os locais onde o hidrogênio poderia ser armazenado”, afirma Bernardi. 

Além disso, o grupo utilizou uma estrutura diferente: as chamadas nanoespumas. Diferentemente de nanopartículas, essas estruturas possuem uma rede porosa tridimensional, com grande área superficial, o que amplia significativamente as possibilidades de interação com o hidrogênio. 

Os resultados mostraram que o hidrogênio é armazenado principalmente logo abaixo da interface platina-paládio. “O que a gente observou é que o hidrogênio fica na subsuperfície da platina. O paládio, dentro da escala de tempo estudado, não armazena, mas ajuda o hidrogênio a difundir até esse local”, explica o pesquisador. 

Essa combinação de fatores resultou em um desempenho superior ao de sistemas semelhantes já reportados na literatura. Ainda assim, o próprio pesquisador ressalta que o campo está longe de atingir os requisitos necessários para aplicações comerciais. “A gente ainda está muito distante das metas estabelecidas, mas já é o melhor resultado para esse tipo de sistema. O mais importante aqui foi entender o mecanismo, afirma. 

Investigando o material com luz síncrotron

Para compreender onde, de fato, o hidrogênio estava sendo armazenado, os pesquisadores recorreram a técnicas avançadas de caracterização, incluindo experimentos realizados na linha Carnaúba, do Sirius, no CNPEM. 

A questão era distinguir o papel de cada componente do material: a nanoespuma e as nanopartículas que também fazem parte da amostra. “A nossa pergunta era: o armazenamento de hidrogênio está acontecendo principalmente na nanoespuma ou na nanopartícula?”, explica Bernardi. 

Na linha Carnaúba, que possui um feixe de raios X com dimensões nanométricas, foi possível mapear regiões específicas da amostra e realizar medidas independentes em cada uma delas. Primeiro, os pesquisadores identificaram espacialmente onde estavam as nanoespumas e as nanopartículas; depois, aplicaram a técnica de XANES para investigar a estrutura eletrônica da platina em cada região.

Os resultados revelaram uma diferença crucial: a platina presente nas nanoespumas estava em um estado mais metálico, enquanto nas nanopartículas ela aparecia mais oxidada. Essa distinção é fundamental, já que a forma metálica interage mais fortemente com o hidrogênio. “Como é bem conhecido que a platina metálica armazena mais hidrogênio do que o óxido, isso mostra que o processo ocorre principalmente na nanoespuma”, afirma o pesquisador. 

Essa capacidade de investigar regiões específicas do material foi essencial para confirmar o mecanismo proposto e destacar o papel da nanoarquitetura no desempenho do sistema. Sem a resolução espacial proporcionada pela linha Carnaúba, essa distinção não seria possível com a mesma clareza. 

Nos testes realizados, o melhor desempenho obtido foi de 0,58% em massa de hidrogênio armazenado, um valor ainda distante das metas estabelecidas para aplicações práticas, mas que já representa um avanço significativo para sistemas desse tipo. Esse resultado foi alcançado em condições moderadas; de pressão atmosférica e temperatura ambiente, o que abre espaço para melhorias. Segundo Bernardi, “se a gente reduzir a temperatura e aumentar a pressão dentro dos limites considerados viáveis pelo DOE, esse valor deve crescer ainda mais”. 

Para os próximos passos, os pesquisadores pretendem explorar novas combinações de materiais bimetálicos e diferentes arquiteturas, buscando aumentar a capacidade de armazenamento e entender como otimizar esse mecanismo. “A gente segue investigando esses sistemas, variando os metais e a estrutura a partir do conhecimento adquirido em trabalhos como este, para tentar armazenar cada vez mais hidrogênio”, afirma o pesquisador.