PESQUISA PODE LEVAR A UMA ECONOMIA DE HIDROGÊNIO MAIS BARATA E EFICIENTE. (Comentado)

Pesquisadores têm trabalhado como entender como algumas bactérias adquirem hidrogênio além de produzir energia, tal como faz uma célula de combustível biológico. No processo, eles questionam as idéias atuais de como isso acontece e, possivelmente, dão um passo mais perto de uma economia do hidrogênio mais barato e eficiente. A pesquisa foi publicada na revista Nature Chemical Biology.

Protium, o isótopo mais comum de hidrogênio. Imagem: Wikipedia.

Protium, o isótopo mais comum de hidrogênio. Imagem: Wikipedia.

Os cientistas usaram uma combinação de técnicas diferentes para descobrir o que acontece no centro das enzimas bacterianas chamadas de hidrogenase ferro-níquel. Um dos autores, o professor Simon Phillips, diretor do Complexo de Pesquisa em Harwell, em Oxfordshire disse: “As hidrogenases podem fazer duas coisas com o gás hidrogênio, transformá-lo em prótons e elétrons ou recombina-los para formar hidrogênio. Isso pode ser feito em um combustível celular com platina. A evolução tem produzido bactérias que podem fazê-lo com o níquel e ferro, um metal bastante abundante”. Estas bactérias usam hidrogênio para fornecer energia; as enzimas convertem hidrogênio em elétrons, assim como uma célula de combustível de hidrogênio onde a eletricidade é gerada.

Células de combustível de hidrogênio são vistas como uma parte vital do nosso futuro com baixo carbono, usando o hidrogênio para produzir eletricidade para conduzir veículos, em vez de combustíveis fósseis queimando motores de combustão interna. No entanto, as células de combustível exigem platina que é raro e caro, esta enzima faz o mesmo truque com ferro e o abundante níquel. Além disto, esta enzima pode fazer a reação em sentido inverso, a produção de hidrogênio a partir de eletricidade e água. Como resultado, o estudo destas enzimas é uma área muito ativa e importante da pesquisa.

As enzimas são máquinas da natureza feitas de proteínas, e têm evoluído ao longo de milhões de anos para ser muito bom no que fazem, muitas vezes melhor do que a tecnologia humana equivalente. Estas hidrogenases usam metais comuns para fazer a temperatura ambiente o que as células de combustível só podem fazer com platina, que é caro e em altas temperaturas. Se o mecanismo desta enzima pode ser adaptado em seguida, ele poderia fazer células de combustíveis muito mais baratas, e também uma forma de fazer hidrogênio barato pela eletricidade e água – dois avanços tecnológicos muito procurados. Isso, no entanto, ainda é um longo caminho.

Para explorar como o hidrogenase funciona em pormenores os investigadores fizeram súbitas alterações, pequenas mutações, para cada um dos aminoácidos da enzima em que o hidrogênio entra em reação. Isto resultou em uma versão que parecia ser o mesmo que a original, mas foi muito menos eficiente. A chave aqui foi que eles tinham de saber se as alterações tinham mudado a forma da enzima ou apenas a sua atividade. Para fazer isso eles usaram a Diamond Light Source, um síncrotron do Reino Unido para exercitar e comparar as estruturas originais das enzimas e o que foi alterado usando uma técnica chamada cristalografia de raios-x. O professor Phillips disse: “Temos estruturas muito precisas do mutante e, basicamente, nada mudou para além dos átomos dos aminoácidos. Assim, a perda de atividade não está alterando a estrutura ou levando a perda dos metais. O Diamond foi crucial para determinar isso”.

Isto confirmou que a redução da atividade teve de ser devido a alterações químicas, não física. A pequena mudança removeu um átomo de nitrogênio de seu coração, que foi essencial para fazer o trabalho de reação do hidrogênio.

O que eles descobriram foi que a enzima utiliza um princípio conhecido como Frustrated Lewis Pair. Um par Lewis normal é composto de diferentes produtos químicos que estão ansiosos para interagir uns com os outros e seria esta a oportunidade. Neste caso, estes são os átomos de níquel e ferro em conjunto, e em particular um átomo de nitrogênio incorporado a enzima. O “frustração” é que na enzima, essas entidades são mantidas perto o suficiente para ver um ao outro, mas não perto o suficiente para interagir plenamente. Isso produz uma área de tensão entre eles, semelhante a quem prende um cão de volta de sua tigela de comida. E, então qualquer coisa que ficar entre um cão e seu alimento está em risco de ser massacrado, e assim que uma molécula de hidrogênio é alimentada para esta área de tensão eles se separaram.
O conceito de Frustrated Lewis Pair é relativamente novo, embora a natureza foi com sucesso usando-a por prováveis bilhões de anos. O mecanismo é razoavelmente bem compreendido, mas é diferente a partir da explicação clássica de como estas enzimas funcionam. O professor Phillips disse: “Nossa pesquisa mostra claramente que o mecanismo químico na literatura esta errado.”
Agora que esta pesquisa revelou apenas como a enzima divide hidrogênio os pesquisadores estão ansiosos para ir mais longe e ver se eles podem vê-lo em ação.
Uma maneira que eles esperam fazer isso é usar o mais recente inovação da Diamond, uma câmara de vácuo para cristalografia de raios-x – a única no mundo até o presente momento. Normalmente cristalografia de raios-x é executada em ar, mas as moléculas de ar interferem com os raios-X e introduz ruído no experimento, um pouco como a estática em uma rádio mal sintonizada. Isto pode obscurecer um sinal muito fraco determinado pelo hidrogênio dentro da enzima. Sugando todo o ar os pesquisadores podem reduzir esse ruído consideravelmente e tem uma boa chance de realmente detectar o hidrogênio crucial e o que exatamente acontece com ele. Simon Phillips disse: “Este recurso exclusivo significa que podemos melhorar a relação sinal-ruído por um fator de dez, que poderia e vamos ver o hidrogênio no lugar”.

Jornal de referência
Rhiannon M Evans et al. Mechanism of hydrogen activation by [NiFe] hydrogenases, Nature Chemical Biology (2015). DOI: 10.1038/nchembio.1976

Fonte: Science News

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Comentários internos

O combustível produzido a partir de hidrogênio é visto como um combustível com emissões zero de carbono quando queimado com oxigênio (se considerar a água não como uma emissão). Ele é usado em uma célula que é capaz de inverter reações. Freqüentemente usa-se células eletroquímicas ou motores de combustão interna para veículos de potência e dispositivos elétricos. O uso do hidrogênio como combustível é também muito utilizado para a propulsão de veículos espaciais e pode, potencialmente, ser produzido em massa e comercializado para veículos de passageiros e aeronaves.

Na célula eletroquímica são consumidos, um agente redutor (que é o combustível), e um agente oxidante (comburente), com o objetivo de gerar energia elétrica. Na célula de combustão, ao contrário das baterias ou das pilhas, estes agentes químicos são fornecidos e consumidos continuamente. As células de combustível têm uma grande vantagem; elas são altamente eficientes e pouco poluentes. Podem ser utilizadas como sistemas de emergência, em áreas sem rede elétrica, ou em aparelhos portáteis e veículos. Sua desvantagem ainda é seu alto custo e por isto, pesquisas como esta citada acima são de grande valor.

O modelo que se encontra mais desenvolvido tecnologicamente utiliza como reagentes o hidrogênio e o oxigênio.

Sem títuloO hidrogênio situa-se no primeiro grupo e no primeiro período da tabela periódica, isto é, ele representa o primeiro elemento da tabela periódica, o que torna-o o elemento mais leve. Naturalmente, como é um gás muito leve, sobe na atmosfera e é, portanto, raramente encontrados em sua forma pura, o H2. (Altork & Busby, 2010). Em uma chama de gás hidrogênio puro, queimando no ar, o hidrogênio (H2) reage com o oxigênio (O2) para formar água (H2O) e libera energia seguindo a equação: 2H2 (g) + O2 (g) → 2H2O (g)

Se realizada em ar atmosférico em vez de oxigênio puro a combustão do hidrogênio pode produzir pequenas quantidades de óxidos de nitrogênio (oxido nítrico [NO], dióxido de nitrogênio [NO2], óxido nitroso [N2O], trióxido de dinitrogênio [N2O3], tetróxido de dinitrogênio [N2O4] e pentóxido de dinitrogênio [N2O5]), juntamente com o vapor de água.

A energia libertada permite hidrogênio atuar como um combustível. Em uma célula eletroquímica, a energia pode ser utilizada com eficiência relativamente alta. Se ele simplesmente é usado para o calor, os limites termodinâmicos habituais sobre a eficiência térmica se aplicam. Uma vez que existe muito pouco gás de hidrogênio livre, ele, na prática, se torna apenas um portador de energia, como a energia elétrica e não é um recurso energético (Florida Solar Energy Center). O gás hidrogênio deve ser produzido, e a produção exige mais energia do que pode ser obtida. Esta é uma limitação da lei da física a conservação de energia. Neste sentido, a produção de hidrogênio induz a impactos ambientais (Zehner, 2012).

Isto significa que o uso do hidrogênio como combustível é polêmico em várias aplicações uma vez que não constitui uma fonte primária de energia. Assim, a energia necessária para produzir o combustível pode reduzir a eficiência final do sistema ficando pior que o mais eficiente motor de combustão interna a gasolina. Isto de fato ocorre pois o hidrogênio é gerado pela eletrólise da água e também pelo metano, componente principal do gás natural com mais ou menos 80% de eficiência. O método de conversão do metano liberta gases para o meio ambiente, e, portanto, o método ideal será usar fonte que gere hidrogênio através da eletrólise.

Uma vez produzido, o hidrogênio é um portador de energia, ele pode ser entregue às células de combustível e produzir eletricidade e calor, ou queimado para executar um motor de combustão (Ono, 2015). Em cada caso, o hidrogênio é combinado com oxigênio para formar água. O calor de uma chama de hidrogênio corresponde a um espectro de emissão produzido a partir das moléculas de água recém-formadas. As moléculas de água ficam em um estado animado sobre a formação inicial e realizam a transição para um estado fundamental liberando radiação térmica. Quando esta combustão ocorre no ar, a temperatura é de cerca de 2000°C.

Historicamente, o carbono tem sido o mais prático dos transportadores de energia uma vez que esta energia esta empacotada em combustíveis fósseis. Os átomos de carbono têm grandes capacidades de armazenamento (Judson, 1980) e liberam ainda mais energia quando queimado com hidrogênio. Por ser um prático transportador de energia o resultado surgiu como um conjunto de problemas de poluição (atmosférica, do solo e de recursos hídricos) e alteração climática (além do efeito estufa) devido com a liberação desta biomassa de carbono que antes estava fixada e fora de circulação.

No lado do ânodo o hidrogênio flui para o catalisador onde é dissociado em prótons e elétrons.

No lado do ânodo o hidrogênio flui para o catalisador onde é dissociado em prótons e elétrons. Os prótons são conduzidos através da membrana para o cátodo e os elétrons são forçados a percorrer um circuito externo. Clique para ampliar

Assim sendo, células de combustível são dispositivos eletroquímicos, e como tal não podem ser forçados a trabalhar no máximo de eficiência como as máquinas de combustão. Podem ser altamente eficientes em transformar energia química em elétrica.

As primeiras células de energia usavam uma membrana eletrolítica polimérica que é condutora de prótons e separa um ânodo do cátodo. Ânodo é um elétrodo através do qual a carga elétrica positiva flui para o interior de um dispositivo elétrico polarizado. Consequentemente, um cátodo é o elétrodo a partir do qual a corrente convencional abandona um aparelho elétrico polarizado. A corrente convencional descreve o sentido do movimento das cargas positivas. Em cada lado há um elétrodo de lâmina de carbono revestido com um catalisador de platina.

No lado do ânodo o hidrogênio flui para o catalisador onde é dissociado em prótons e elétrons. Os prótons são conduzidos através da membrana para o cátodo e os elétrons são forçados a percorrer um circuito externo (fornecendo força) porque a membrana é isolada eletronicamente. No cátodo as moléculas de oxigênio reagem com os elétrons (que chegam pelo circuito externo) para formar água. Neste exemplo o único produto a se perder é o vapor de água, que é um resíduo inofensivo.

Victor Rossetti

Palavras chave: NetNature, Rossetti, Hidrogênio, Oxigênio, Nitrogênio, Célula de combustível, Reação.

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Referências

Altork, L.N. & Busby, J. R. (2010 Oct). Hydrogen fuel cells: part of the solution. Technology & Engineering Teacher, 70(2), 22-27.
Ono, Katsutoshi (January 2015). “Fundamental Theories on a Combined Energy Cycle of an Electrostatic Induction Hydrogen Electrolytic Cell and Fuel Cell to Produce Fully Sustainable Hydrogen Energy.”. Electrical Engineering in Japan 190 (2): 1–9.
The Search for Solutions by Horace Freeland Judson, p.34 (1980)
Zehner, Ozzie (2012). Green Illusions. Lincoln and London: University of Nebraska Press. pp. 1–169, 331–42.

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