Químicos da UCSC desenvolvem gálio

Os químicos da UC Santa Cruz desenvolveram um método simples para fazer nanopartículas de alumínio que dividem a água e geram gás hidrogênio rapidamente sob condições ambientais. A reação de separação da água não requer um potencial aplicado e funciona em condições ambientais e pH neutro para gerar rapidamente 130 mL (5,4 mmol) de hidrogênio por grama de liga. Um artigo sobre seu trabalho foi publicado na revista ACS Applied Nano Materials.

O alumínio é um metal altamente reativo que pode retirar o oxigênio das moléculas de água para gerar gás hidrogênio. Seu uso generalizado em produtos que se molham não representa nenhum perigo porque o alumínio reage instantaneamente com o ar para adquirir uma camada de óxido de alumínio, que bloqueia reações posteriores.

Durante anos, os pesquisadores tentaram encontrar maneiras eficientes e econômicas de usar a reatividade do alumínio para gerar combustível de hidrogênio limpo. Um novo estudo dos pesquisadores da UCSC mostra que um composto facilmente produzido de gálio e alumínio cria nanopartículas de alumínio que reagem rapidamente com a água à temperatura ambiente para produzir grandes quantidades de hidrogênio. O gálio foi facilmente recuperado para reutilização após a reação, o que rende 90% do hidrogênio que teoricamente poderia ser produzido a partir da reação de todo o alumínio no compósito.

Não precisamos de nenhuma entrada de energia e borbulha hidrogênio como um louco. Eu nunca vi nada parecido.

Bolhas de gás hidrogênio são geradas a partir da reação da água com um composto de alumínio e gálio. Filmes da reação estão disponíveis online. (Crédito: Amberchan et al., Applied Nano Materials 2022)

A reação do alumínio e do gálio com a água é conhecida desde a década de 1970, e é fácil encontrar vídeos online. Funciona porque o gálio, um líquido logo acima da temperatura ambiente, remove o revestimento passivo de óxido de alumínio, permitindo o contato direto do alumínio com a água. O novo estudo, no entanto, inclui várias inovações e novas descobertas que podem levar a aplicações práticas.

Um pedido de patente dos EUA está pendente sobre esta tecnologia. O depósito internacional (PCT) no qual se baseou está aqui.

Estudos anteriores usaram principalmente misturas de alumínio e gálio ricas em alumínio ou, em alguns casos, ligas mais complexas. Mas o laboratório de Bakthan Singaram, professor de química e bioquímica e coautor do estudo, descobriu que a produção de hidrogênio aumentou com um composto rico em gálio. Na verdade, a taxa de produção de hidrogênio foi tão inesperadamente alta que os pesquisadores pensaram que deveria haver algo fundamentalmente diferente nessa liga rica em gálio.

Oliver sugeriu que a formação de nanopartículas de alumínio poderia explicar o aumento da produção de hidrogênio, e seu laboratório tinha o equipamento necessário para a caracterização em nanoescala da liga. Usando microscopia eletrônica de varredura e difração de raios-x, os pesquisadores mostraram a formação de nanopartículas de alumínio em um composto de gálio-alumínio 3:1, que eles descobriram ser a proporção ideal para a produção de hidrogênio.

A microscopia eletrônica de varredura do compósito mostra nanopartículas de alumínio em uma matriz de gálio. (Crédito: Amberchan et al., Applied Nano Materials 2022)

Neste compósito rico em gálio, o gálio serve tanto para dissolver o revestimento de óxido de alumínio quanto para separar o alumínio em nanopartículas.

Fazer o compósito exigia nada mais do que uma simples mistura manual. O compósito pode ser feito com fontes prontamente disponíveis de alumínio, incluindo folhas ou latas usadas, e o compósito pode ser armazenado por longos períodos, cobrindo-o com ciclohexano para protegê-lo da umidade.

Embora o gálio não seja abundante e seja relativamente caro, ele pode ser recuperado e reutilizado várias vezes sem perder a eficácia, disse Singaram. Resta saber, no entanto, se esse processo pode ser ampliado para ser prático para a produção comercial de hidrogênio.

Este trabalho foi parcialmente financiado por fundos da Fundação Ima Hernandez.

Recursos

Gabriella Amberchan, Isai Lopez, Beatriz Ehlke, Jeremy Barnett, Neo Y. Bao, A'Lester Allen, Bakthan Singaram e Scott RJ Oliver (2022) "Aluminum Nanoparticles from a Ga-Al Composite for Water Splitting and Hydrogen Generation" ACS Applied Nano Materiais doi: 10.1021/acsanm.1c04331