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Energia

Folhas empilhadas de grafeno armazenam hidrogênio

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/04/2010

Estrutura de grafeno armazena hidrogênio para células a combustível
Uma estrutura de óxido de grafeno (GOF), formada pro camada de grafeno conectadas por pilares de boro-carboxila, apresenta grande potencial para o armazenamento de hidrogênio para uso em células a combustível.
[Imagem: NIST]

Folhas de grafeno, formadas cada uma por um único átomo de espessura, e sobrepostas, formam um material promissor para o armazenamento de hidrogênio.

Os resultados de uma nova pesquisa sugerem que as pilhas de camadas de grafeno poderiam armazenar o hidrogênio de forma segura para utilização em células a combustível e outras aplicações.

Tanque sólido de hidrogênio

O grafeno tornou-se a maior das celebridades entre os novos materiais nos últimos anos graças, às suas propriedades condutoras, térmicas e ópticas, que o tornam útil em uma variedade muito grande de aplicações.

Em sua forma original, o grafeno não é bom para armazenar hidrogênio, segundo a equipe de cientistas do Instituto Nacional de Padronização e Tecnologia (NIST) e da Universidade da Pensilvânia, ambos nos Estados Unidos.

Mas se as folhas de grafeno forem oxidadas e empilhadas umas sobre as outras, com moléculas entre elas que funcionam tanto como ligantes quanto como espaçadores, elas formam o chamado GOF (graphene-oxide framework), uma estrutura de óxido de grafeno que é capaz de acomodar grandes quantidades de hidrogênio.

Há muito tempo os cientistas sabem que, para viabilizar o uso do gás não-poluente em veículos, o hidrogênio deverá ser armazenado na forma de um sólido e não em tanques de gás pressurizado. Mas a busca por materiais que incorporem o hidrogênio em sua estrutura tem dado resultados modestos até agora.

GOFs - estruturas de óxido de grafeno

Para criar os GOFs, a equipe se inspirou nos MOFs, ou estruturas metal-orgânicas, que estão sendo muito pesquisadas para o armazenamento de hidrogênio e para a captura de CO2 da atmosfera.

"Tanto quanto sabemos, ninguém até hoje fabricou um GOF," afirma o Dr. Taner Yildirim, do NIST. "O que descobrimos até agora, porém, indica que os GOFs podem conter pelo menos cem vezes mais moléculas de hidrogênio do que o óxido de grafeno normal. A síntese fácil, de baixo custo e a não-toxicidade do grafeno tornam esse material um candidato promissor para aplicações de armazenamento de gás."

Os GOFs podem reter 1 por cento do seu peso em hidrogênio a uma temperatura de 77 graus Kelvin e a pressão atmosférica normal, o que se aproxima dos 1,2 por cento que algumas estruturas metal-orgânicas podem conter.

Liberação do hidrogênio sob demanda

Outra descoberta potencialmente útil feita pela equipe é a relação incomum apresenta pelos GOFs entre a temperatura e a absorção de hidrogênio. Na maioria dos materiais de armazenamento, quanto menor a temperatura, maior a absorção de hidrogênio.

No entanto, a equipe descobriu que os GOFs se comportam de forma bastante diferente. Embora um GOF possa absorver hidrogênio, ele não o faz em quantidades significativas abaixo de 50 Kelvin (-223 graus Celsius).

Além disso, ele não libera nenhuma molécula de hidrogênio abaixo dessa "temperatura de bloqueio", sugerindo que, com o prosseguimento das pesquisas, os GOFs poderão armazenar o hidrogênio e liberá-lo quando for necessário, um requisito fundamental para sua aplicação em células a combustível.

Moléculas de ligação

Algumas das capacidades dos GOFs são devidas às próprias moléculas de ligação. A equipe usou ácidos benzeno-borônicos que interagem fortemente com o hidrogênio.

Mas a manutenção de vários angstroms de espaço entre as camadas de grafeno, à semelhança dos pilares que sustentam os andares de um edifício, ajuda a aumentar a área disponível de cada camada, abrindo mais pontos nas moléculas espaçadoras onde o hidrogênio pode se ligar.

Bibliografia:

Artigo: Gas adsorption properties of grafeno-oxide-frameworks and nanoporous benzene-boronic acid polymers
Autores: Jacob Burress, Jason Simmons, Jamie Ford, Taner Yildirim
Revista: Proceedings of the American Physical Society Conference
Data: March, 2010
Vol.: 55, Number 2





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