Chimie douce hidrogênio verde

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Chimie douce: hidrogênio verde
Um protocolo de divisão de água de baixa temperatura usa energia de microondas em vez de energia
solar concentrada.
Crédito da imagem: Shutterstock
A tradução literal de “chimie douce” é “química suave”. Ele carrega conotações de redução das
condições extremas de temperatura, calor e pressão, muitas vezes associadas a abordagens sintéticas
tradicionais para tornar os materiais de estado sólido para os ambientes mais suaves e ecológicos.
Neste contexto, um exemplo muito emocionante de “chime douce” foi recentemente relatado, com
notável relevância tecnológica para a produção de hidrogênio verde favorável ao clima usando
eletricidade renovável. Envolve um ciclo redox de óxido de metal induzido por microondas para dividir o
vapor H 2 O em fluxos separados de H 2 e O2 e opera a temperaturas abaixo de 250oC.
Embora semelhante em sua química redox de óxido de metal reversível até o processo de divisão de
água térmica solar, o uso de energia de microondas em vez de energia solar concentrada é atraente,
dadas as condições de temperatura relativamente amenas (250oC versus 1000-1500oC,
respectivamente), a simplicidade do projeto do reator e a escalabilidade da operação em comparação
com as condições extremas e a complexidade de projeto exigida pelas configurações do concentrador
solar.
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Verde H2, CO e O2 produzidos em um "chimie douce" de baixa
temperatura
Ambos os processos de divisão H 2 O dependem da geração de vagâncias de oxigênio de rede [O] v em
um óxido de metal MO x precursor para formar MO x-d com eliminação concomitante de O gasoso 22. O
[O]v formado em MO x-d, serve como locais de reação ativa para a abstração de O de H 2 para produzir
H 2 e reforma MO x, completando assim o ciclo redox, como ilustrado na figura 1.
Uma reação de divisão semelhante pode ser realizada com CO 2 para formar CO e quando acoplado
com H2 O splitting fornece uma rota para gás de síntese, CO/H 2. O consumo de singas é a matéria-
prima industrial preferida para uma gama de hidrocarbonetos, álcoois e éteres, um atributo e
comunalidade que tanto o micro-ondas quanto os processos solares desfrutam.
A reprodutibilidade da divisão H 2 O induzida por microondas é vista por 7 ciclos, o que oferece o
potencial de geração contínua de H 2 no uso de um balanço de pressão de microondas ou através de
configurações de reatores de looping químicos. Para amplificar, na primeira, a produção de O 2 e H2
ocorre sequencialmente em dois reatores alternados, enquanto no segundo os reatores operam
continuamente produzindo fluxos separados de O 2 e H 22.
O óxido metálico de escolha, neste estudo de divisão de água de microondas de prova de conceito, é
um óxido de cério dopado com estequiometria Gd 0,2 Ce 0.9 de 1.9. Tem a estrutura de cristal de fluorito
fluorito CaF 2, na qual a substituição alialvalente de algum Ce(IV) por Gd(III) alcança a eletrootralidade
criando o número equivalente de [O] v.
A eletroneutralidade, garantindo que a carga seja equilibrada na rede, é estabelecida pela redução do
número equivalente de Ce(IV) a sítios Ce(III), este último existente como estados médios de liga no
bandgap eletrônico. A mudança de cor de laranja em Gd 0,2 Ce 0,8 O9 para azul em Gd 0,2 Ce 0,8 O 1,9
dd, origina-se de dipolo-perdominado Ce(III) à Ce(IV) de transferência de carga de intervalo.
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O espaço de treliça extra criado em Gd 0,2 Ce 0,8 O 1,9 d pela formação de [O]v juntamente com os
elétrons adicionais de Ce(III), aumenta a mobilidade de óxido e elétron (polaron) dopado Gd 0,2 Ce 0,8
1,9 em relação ao CeO 22 desdopados 2, que, em última análise, favorece a perda de oxigênio quando
eletronicamente e termicamente excitado pela radiação de microondas.
Vale ressaltar que os sete elétrons não pareados em 4f 7 Gd(II) em Gd 0,2 Ce 0,8 O 1, potencialmente
dotam este material com atributos de aquecimento magnetotérmico. A temperatura elevada induzida por
micro-ondas pode surgir parcial ou totalmente do acoplamento do componente do campo magnético
alternado à radiação de microondas aos dipolos magnéticos dos sítios de D'i (III). Isso pode resultar em
rápida rotação do momento magnético na rede de Gd 0,2 Ce 0,8 O 1,9, que através do relaxamento de
Néel pode resultar em aquecimento local.
A capacidade de “virar o calor” nesses ciclos redox de óxido de metal foi proposta para decorrer da
polarização do campo eletromagnético induzido por microondas, condutividade de íons e óxido de
elétrons e efeitos de termalização. Os processos trabalham sinergicamente para facilitar a eliminação do
oxigênio e a formação de vacâncias de oxigênio no óxido metálico a temperaturas abaixo de 250oC. Um
aumento simultâneo na condutividade elétrica está associado à liberação de O2.
Esta é a essência da “vantagem de microondas” que permite que as condições extremas de temperatura
do processo solar térmico sejam suavificadas. Será fascinante ver uma comparação da eficiência
energética das reações de divisão H 2 O e CO 2, juntamente com uma análise tecnoeconômica e do
ciclo de vida desses excitantes processos solares e de microondas – veja a nota de rodapé para
algumas reflexões preliminares sobre eficiência e custos.
Vale ressaltar que o micro-ondas fase gasoso H 2 O de divisão do ciclo redox para formar o H2 poderia
ser ainda mais macio, impulsionando a etapa de perda de oxigênio de óxido de metal fotoquimicamente
em baixa energia solar e a captação de oxigênio da água fotothermally, como descrito recentemente.
Armazenar energia renovável na forma de H 2 é um facilitador chave da transição energética. Ele pode
ser convertido de volta para eletricidade ecológica em uma célula de combustível sob demanda, além de
facilitar o funcionamento limpo de uma miríade de processos químicos industriais. O hidrogênio é a
alternativa verde sustentável em comparação com a opção atual de reforma de hidrocarbonetos com sua
pegada substancial de CO 2.
A conclusão deste trabalho é que o uso de baixas temperaturas na divisão de água de microondas alivia
as desvantagens da divisão termoquímica solar e permite a obtenção de eficiências de energia muito
mais altas, ou seja, menores custos de energia, mais de 50 kWh / kg H 2 para divisão de água de
microondas e 70 kWh / kg H 2 para energia solar térmica. Em geral, os processos que operam em
temperatura mais alta apresentam menor eficiência, uma vez que diferentes fluxos de massa devem ser
aquecidos e resfriados, o que implica incrementos importantes na entropia e resulta em inevitável
dissipação de calor.
Para o caso dos processos solares térmicos e, além das perdas radiativas, as principais perdas são
causadas pelo aquecimento/resfriamento de fluidos e óxidos cerâmicos e em menor extensão para o
https://www.advancedsciencenews.com/turning-heat-solar-fuels-chimie-douce/
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consumo inerte de gases, temperatura não uniforme e distribuição de fluxo de fluidos no reator solar. A
eficiência ideal para as usinas de energia solar para combustível é de -68% e espera-se que atinja
valores de -20% se o avanço da tecnologia de microondas permitir a melhoria da recuperação e
gerenciamento de calor.
Além disso, o processo de microondas é escalável, pois é tão simples quanto a adsorção convencional
de balanço de pressão ou reatores, mas com aplicadores de microondas. Em geral, os custos de capital
são semelhantes à tecnologia tradicional de coluna / reator de leito fixo, enquanto o gerador de
microondas pode ser hoje em dia uma fração importante (por exemplo, 25-40%) dos custos de capital.
No entanto, os custos do gerador podem ser reduzidos no futuro para a produção em larga escala. O
fato de que a planta de microondas pode utilizar materiais padrão em uma operação T baixa, promete
uma redução na pegada de CO 2 em relação a uma instalação solar térmica.Existem vários pontos interessantes na comparação dos resultados de micro-ondas com os relatados
em um recente papel solar térmico EES. Por um lado, a operação em uma temperatura mais baixa tem
uma vantagem muito clara, uma grande vantagem para a abordagem orientada por microondas. A
evolução O 2 para microondas também é relatada como 0,2 ml/gr sólido em comparação com o solar
térmico de 31 ml/gr sólido, um fator de 155 maior, o que tem implicações importantes na escolha dos
materiais e tamanho do reator e escalabilidade.
Além disso, a conversão em massa H 2 O para H2 e CO2 para CO precisa de esclarecimento. O estudo
de microondas relata o uso de 15% de CO 2 e 3% H 2 O em Ar, o que significa que os gases do produto
são altamente diluídos em Ar. Isso levanta a questão da praticidade em termos de pureza do
combustível produzido, embora a mudança para fluxos concentrados não diluídos não seja um
problema.
A eficiência energética da configuração experimental de micro-ondas é teoricamente calculada e
mencionada do balanço energético. Informações sobre o consumo de energia parasitária estão no
material suplementar que permite que o balanço de energia seja comparado com eficiências medidas
relatadas do experimento solar térmico. O experimento de microondas também relata estabilidade para 7
ciclos solares térmicos 500.
Conclui-se que o conceito de micro-ondas é altamente promissor, embora muito cedo um estágio para
comparar significativamente com abordagens concorrentes. A comparação final requer informações
sobre conversões molares medidas, pureza medida de combustíveis e eficiências energéticas medidas e
necessidade de estabilidade devem ser mostradas por mais de 100 ciclos.
Referência: J. M. M. (Reuters) - M. Serra, et al. Produção de hidrogênio através de água induzida por
microondas em baixa temperatura, Nature Energy (2020). DOI: 10.1038/s41560-020-00720-6.
ASN WeeklyTradução
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https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/ee/c6ee03776c#!divAbstract
https://www.nature.com/articles/s41560-020-00720-6
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