Despenca temperatura para transformar hidrogênio em eletricidade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/08/2025

Ilustração da formação de vias de transferência de prótons nos dois materiais desenvolvidos pela equipe.
[Imagem: Kyushu University/Yoshihiro Yamazaki]

O dilema da temperatura

Engenheiros japoneses construíram uma célula a combustível que opera a pouco mais de um terço da temperatura operacional das células atuais.

Ao contrário das baterias, que liberam energia química armazenada na forma de eletricidade, as células de combustível convertem o combustível químico diretamente em eletricidade - mantenha o tanque da célula cheio e ela não para de produzir eletricidade.

O tipo mais comum e promissor desses geradores especiais são as células de combustível de hidrogênio de óxidos sólidos (SOFC: Solid-Oxide Fuel Cell), que convertem o gás hidrogênio em eletricidade, gerando apenas água como subproduto.

Só tem um problema: Essas células precisam de temperaturas muito altas para funcionar, na faixa de 700 a 800 graus Celsius, o que encarece muito sua fabricação e limita sua utilização prática.

Agora, Kota Tsujikawa e colegas da Universidade Kyushu desenvolveram uma nova célula combustível de óxido sólido com uma temperatura operacional eficiente de 300 °C. A equipe espera que seu avanço leve ao desenvolvimento de SOFCs de baixa temperatura e baixo custo, acelerando significativamente a aplicação prática desses dispositivos.

Difusão de prótons e sua trajetória.
[Imagem: Kota Tsujikawa et al. - 10.1038/s41563-025-02311-w]

O dilema do eletrólito

O coração de uma célula de combustível de hidrogênio é o eletrólito, uma camada cerâmica que transporta partículas carregadas entre os dois eletrodos, para criar a corrente elétrica. Nas SOFCs, o eletrólito transporta íons de hidrogênio, também conhecidos como prótons. No entanto, a célula de combustível precisa operar em temperaturas extremamente altas para funcionar com eficiência.

Os eletrólitos são compostos por diferentes combinações de átomos dispostos em uma estrutura de rede cristalina. É entre esses átomos que os prótons viajam. Por isso, pesquisadores têm explorado diferentes combinações de materiais e dopantes químicos - substâncias que alteram as propriedades físicas do material - para melhorar a velocidade com que os prótons viajem através dos eletrólitos.

Mas aqui tem outro problema: "Adicionar dopantes químicos pode aumentar o número de prótons móveis que passam por um eletrólito, mas geralmente obstrui a rede cristalina, desacelerando os prótons. Buscamos cristais de óxido que pudessem hospedar muitos prótons e deixá-los se mover livremente - um equilíbrio que nosso novo estudo finalmente alcançou," disse o professor Yoshihiro Yamazaki.

Estrutura e estabilidade química dos novos eletrólitos.
[Imagem: Kota Tsujikawa et al. - 10.1038/s41563-025-02311-w]

Escândio

A equipe descobriu que dois compostos, o estanato de bário (BaSnO₃) e o titanato de bário (BaTiO₃), devidamente dopados com altas concentrações de escândio (Sc), alcançam a condutividade de prótons de referência da célula a combustível (0,01 S/cm) a meros 300 ºC, um nível de condutividade comparável aos eletrólitos SOFC atuais, que exigem temperaturas na casa dos 700 ºC.

Isso é possível porque o escândio cria uma espécie de rodovia de múltiplas pistas para os prótons, que então fluem muito mais facilmente.

"Além das células de combustível, o mesmo princípio pode ser aplicado a outras tecnologias, como eletrólises de baixa temperatura, bombas de hidrogênio e reatores que convertem CO₂ em produtos químicos valiosos, multiplicando assim o impacto da descarbonização. Nosso trabalho transforma um paradoxo científico de longa data em uma solução prática, aproximando a energia de hidrogênio acessível da vida cotidiana," conclui Yamazaki.

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