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MagnetoEletroCatálise – Parceria CBPF/UFF em prol da remediação ambiental
A colaboração entre o Laboratório de Materiais Magnéticos Multifuncionais (L3M) do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) e o Departamento de Físico-Química da Universidade Federal Fluminense (UFF) resultou na criação de um catalisador a base de nanopartículas de níquel, assistida por hipertermia magnética. Os resultados do estudo estão sendo publicados no International Journal do Hydrogen Energy, tendo como um dos autores Flávio Garcia, pesquisador da Coordenação de Matéria Condensada, Física Aplicada e Nanociência (COMAN/CBPF).
Sob o título de “MagnetoElectroCatalysis: A new approach for urea electro-oxidation reaction on nickel-iron oxide catalyst”, o artigo apresenta o catalizador criado, que gera impacto na pauta ambiental ao evitar a contaminação de rios, lençóis freáticos, lagos e oceanos, através da purificação simples e barata dos efluentes. Além disso, a reação química envolvida nesse processo tem como subproduto a geração de hidrogênio verde.
Solução sustentável
Para tratar da reabilitação de áreas contaminadas e da geração sustentável de hidrogênio, técnicas eletroquímicas têm se mostrado como ferramentas extremamente poderosas, porém energeticamente dispendiosas. Por isso, alternativamente tem se empregado amplamente a técnica de uso de catalisadores, que servem para facilitar ou acelerar as reações químicas.
Na busca por uma solução de menor custo, foi apresentado pelo grupo liderado pelos professores Júlio Cezar Silva e Odivaldo Cambraia Alves, ambos do Departamento de Físico-Química da UFF, um catalisador a base de nanopartículas de níquel, um metal não nobre, portanto, mais acessível e que apresenta uma boa atividade catalítica em experimentos para dissociação da molécula de ureia, um grande contaminante ambiental1.
Produção de hidrogênio “verde” por eletrocatálise
A reação eletrocatalítica como subproduto da decomposição da molécula da ureia (CO (NH2)2) gera três moléculas de hidrogênio gasoso, que é conhecido como hidrogênio “verde”. O mesmo é um dos principais candidatos à substituição da matriz energética atual, baseada em combustíveis fosseis.
Os resultados apresentados nesse trabalho, indicaram uma boa atividade catalítica, ou seja, a uma expressiva quantidade de ureia eliminada na reação, assim como, a de hidrogênio verde gerada, isso para o caso de quatro diferentes catalisadores, sendo um a base de nanopartículas de platina pura (cara), outro de níquel puro e outros dois com diferentes teores de platina e níquel.
Contudo, quanto mais platina na reação, maior é a atividade catalítica do material. Na prática, embora sejam promissores os catalisadores mais baratos com base em níquel, faz-se necessário uma melhoria de sua atividade catalítica para que seu uso seja viável.
L3M e hipertermia magnética
Ao buscar uma alternativa para a viabilidade dos catalizadores a base de níquel, o professor Júlio Cesar Silva propôs melhorar a atividade catalítica aquecendo a reação química, porém para uma maior eficiência energética, propôs que o aquecimento fosse extremamente localizado. A ideia é aquecer somente onde a reação química ocorre, que é exatamente na interface entre o líquido que contém a ureia e o catalizador.
A estratégia proposta pelo professor Júlio, inspirada na pesquisa do grupo do Laboratório de Materiais Magnéticos Multifuncionais (L3M) do CBPF, consiste na utilização de nanopartículas magnéticas como suporte ao catalizador, e aquecimento das mesmas via hipertermia magnética. Esta técnica vem sendo estudada no L3M por conta de seu potencial de aplicação na área de nanomedicina.
Após formada uma equipe multidisciplinar com experts em hipertermia magnética e em eletroquímica, o L3M montou uma nanoplataforma catalítica, com potencial de aquecer quando submetida a um campo magnético alternado.
Na figura abaixo é apresentado um esquema do sistema. A direita uma representação do aparato experimental, com uma célula eletroquímica montada no interior de uma fonte de campo magnético alternado. Ao centro, as nanopartículas de maghemita (esferas pretas) suportando o catalisador a base de níquel, formando a nanoplataforma catalítica. A esquerda é representada a nanoplataforma catalítica absorvendo o campo magnético alternado e aquecendo, aumentando a dissociação das moléculas de ureia (CO(NH2)2) em moléculas dos gases de nitrogênio, gás carbônico e hidrogênio verde.
- Figura 1: Figura esquemática do conceito do experimento2.
Basicamente, as nanopartículas de níquel suportadas nas nanopartículas de um óxido de ferro magnético, chamado de maghemita, são aquecidas pela aplicação do campo magnético alternado. O interessante dessa estratégia é que somente é necessário aquecer as nanopartículas de maghemita, que aquecem, por contato, os catalisadores de níquel, sem a necessidade de aquecer toda a célula eletroquímica, ou no caso real, sem a necessidade de aquecer o leito de um efluente.
- Figura 2: Gráfico da variação da corrente gerada, diretamente relacionada à atividade catalítica da nanoplataforma, como função do tempo em que é aplicada uma diferença de potencial à célula eletroquímica e a variação da atividade catalítica para diferentes intensidades de campo magnético alternado aplicado2.
Ainda na mesma figura, pode ser observado que toda vez que o campo é ligado, a atividade catalítica (representada pela corrente J medida) aumenta quase que instantaneamente. Assim que o campo magnético é desligado, a atividade catalítica volta ao patamar de antes do campo ligado. Isso é uma indicação clara de que o aquecimento é super localizado na nanoplataforma, visto que o aquecimento de todo o sistema implicaria em uma grande inércia térmica e um importante consumo energético.
Em síntese, esses resultados mostram de forma clara que o aquecimento extremamente localizado no catalisador e seu entorno, é uma forma viável de desassociar moléculas de poluentes. Adicionalmente, como subproduto, temos a produção de modo sustentável de hidrogênio “verde”.
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