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Porquê o nome sugere, a maioria dos dispositivos eletrônicos hoje funcionam por meio do movimento de elétrons. Mas materiais que podem conduzir prótons eficientemente — o núcleo do corpúsculo de hidrogênio — podem ser a chave para uma série de tecnologias importantes para combater a mudança climática global.
A maioria dos materiais inorgânicos condutores de prótons disponíveis agora requerem temperaturas indesejavelmente altas para atingir uma condutividade suficientemente subida. No entanto, alternativas de temperatura mais baixa podem permitir uma variedade de tecnologias, porquê células de combustível mais eficientes e duráveis para produzir eletricidade limpa a partir do hidrogênio, eletrolisadores para fazer combustíveis limpos porquê hidrogênio para transporte, baterias de prótons de estado sólido e até mesmo novos tipos de dispositivos de computação baseados em efeitos ionoeletrônicos.
Para prosseguir no desenvolvimento de condutores de prótons, os engenheiros do MIT identificaram certas características de materiais que dão origem à meio rápida de prótons. Usando essas características quantitativamente, a equipe identificou meia dúzia de novos candidatos que se mostram promissores porquê condutores rápidos de prótons. Simulações sugerem que esses candidatos terão um desempenho muito melhor do que os materiais existentes, embora ainda precisem ser conformados experimentalmente. Além de desvendar novos materiais em potencial, a pesquisa também fornece uma compreensão mais profunda no nível atômico de porquê esses materiais funcionam.
As novas descobertas são descritas na revista Ciências da Pujança e do Meio Envolventeem um cláusula dos professores do MIT Bilge Yildiz e Ju Li, dos pós-doutores Pjotrs Zguns e Konstantin Klyukin, e sua colaboradora Sossina Haile e seus alunos da Northwestern University. Yildiz é a Professora Breene M. Kerr nos departamentos de Ciência e Engenharia Nuclear e Ciência e Engenharia de Materiais.
“Condutores de prótons são necessários em aplicações de conversão de virilidade limpa, porquê células de combustível, onde usamos hidrogênio para produzir eletricidade sem dióxido de carbono”, explica Yildiz. “Queremos fazer esse processo de forma eficiente e, portanto, precisamos de materiais que possam transportar prótons muito rápido por esses dispositivos.”
Os métodos atuais de produção de hidrogênio, por exemplo, reforma de metano a vapor, emitem uma grande quantidade de dióxido de carbono. “Uma maneira de expelir isso é produzir hidrogênio eletroquimicamente a partir do vapor de chuva, e isso precisa de condutores de prótons muito bons”, diz Yildiz. A produção de outros produtos químicos industriais importantes e combustíveis potenciais, porquê amônia, também pode ser realizada por meio de sistemas eletroquímicos eficientes que exigem bons condutores de prótons.
Mas a maioria dos materiais inorgânicos que conduzem prótons só podem operar em temperaturas de 200 a 600 graus Celsius (aproximadamente 450 a 1.100 Fahrenheit), ou até mais altas. Essas temperaturas exigem virilidade para manter e podem fomentar degradação dos materiais. “Ir para temperaturas mais altas não é desejável porque isso torna todo o sistema mais reptador, e a duração do material se torna um problema”, diz Yildiz. “Não há um bom condutor de prótons inorgânico em temperatura envolvente.” Hoje, o único condutor de prótons publicado em temperatura envolvente é um material polimérico que não é prático para aplicações em dispositivos de computação porque não pode ser facilmente reduzido para o regime nanométrico, diz ela.
Para mourejar com o problema, a equipe primeiro precisou desenvolver uma compreensão básica e quantitativa de exatamente porquê a meio de prótons funciona, pegando uma classe de condutores de prótons inorgânicos, chamados ácidos sólidos. “É preciso primeiro entender o que governa a meio de prótons nesses compostos inorgânicos”, ela diz. Ao olhar para as configurações atômicas dos materiais, os pesquisadores identificaram um par de características que se relacionam diretamente com o potencial de transporte de prótons dos materiais.
Porquê Yildiz explica, a meio de prótons envolve primeiro um próton “saltando de um corpúsculo de oxigênio doador para um oxigênio aceitador. E logo o envolvente tem que se reorganizar e levar o próton aceito embora, para que ele possa saltar para outro aceitador vizinho, permitindo a divulgação de prótons de longo alcance.” Esse processo acontece em muitos sólidos inorgânicos, ela diz. Desvendar porquê essa última secção funciona — porquê a rede atômica é reorganizada para levar o próton aceito embora do corpúsculo doador original — foi uma secção fundamental dessa pesquisa, ela diz.
Os pesquisadores usaram simulações de computador para estudar uma classe de materiais chamados ácidos sólidos que se tornam bons condutores de prótons supra de 200 graus Celsius. Essa classe de materiais tem uma subestrutura chamada sub-rede do grupo poliânion, e esses grupos têm que remoinhar e levar o próton para longe de seu sítio original para que ele possa logo ser transferido para outros sítios. Os pesquisadores conseguiram identificar os fônons que contribuem para a flexibilidade dessa sub-rede, que é necessário para a meio de prótons. Portanto eles usaram essas informações para vasculhar vastos bancos de dados de compostos teoricamente e experimentalmente possíveis, em procura de melhores materiais condutores de prótons.
Porquê resultado, eles encontraram compostos ácidos sólidos que são condutores de prótons promissores e que foram desenvolvidos e produzidos para uma variedade de aplicações diferentes, mas nunca antes estudados porquê condutores de prótons; esses compostos acabaram tendo as características certas de flexibilidade de rede. A equipe logo realizou simulações de computador de porquê os materiais específicos que eles identificaram em sua triagem inicial se comportariam sob temperaturas relevantes, para confirmar sua adequação porquê condutores de prótons para células de combustível ou outros usos. Com certeza, eles encontraram seis materiais promissores, com velocidades de meio de prótons previstas mais rápidas do que os melhores condutores de prótons ácidos sólidos existentes.
“Há incertezas nessas simulações”, Yildiz adverte. “Não quero expressar exatamente o quanto maior será a condutividade, mas elas parecem muito promissoras. Espero que isso motive o campo experimental a tentar sintetizá-las em diferentes formas e fazer uso desses compostos porquê condutores de prótons.”
Trasladar essas descobertas teóricas em dispositivos práticos pode levar alguns anos, ela diz. As prováveis primeiras aplicações seriam para células eletroquímicas para produzir combustíveis e matérias-primas químicas, porquê hidrogênio e amônia, ela diz.
O trabalho foi bravo pelo Departamento de Pujança dos EUA, pela Instauração Wallenberg e pela Instauração Vernáculo de Ciências dos EUA.
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