Geração de hidrogênio auxiliada por nanoestruturas heterogêneas de ZnO@ZnWO₄ com morfologia controlada na síntese hidrotermal

Descrição

O tungstato de zinco (ZnWO4) é um material semicondutor de estrutura wolframita que desperta crescente interesse científico em razão de suas propriedades ópticas, fotocatalíticas e de adsorção. Paralelamente, nos últimos anos, observou-se um impulso significativo em toda a cadeia de valor do hidrogênio, abrangendo desde a produção até a aplicação, impulsionado pelo processo de transição energética e pela necessidade global de segurança energética. Todavia, transporte e o armazenamento seguros são barreiras tecnológicas significativas que impedem a aplicação em larga escala, seja pelo alto custo ou mesmo pela ausência de maturidade tecnológica. Como o hidrogênio é um gás à temperatura e pressão ambiente, ele deve ser transportado de forma comprimida ou liquefeita, introduzindo obstáculos técnicos e econômicos substanciais. Além disso, seu armazenamento nesses estados apresenta riscos de segurança, requer sistemas robustos para evitar vazamentos e exige soluções de custo elevado. Dessa forma, o uso de carreadores capazes de absorver e transportar uma quantidade significativa de hidrogênio em um espaço relativamente reduzido passou a ser de grande interesse, tanto em termos de densidade de energia, quanto de segurança. Nesse contexto, o borohidreto de sódio (NaBH4) tem atraído considerável atenção como carreador devido à sua alta capacidade teórica de armazenamento gravimétrico de hidrogênio, atingindo até 10,8% do seu peso, além da sua capacidade de geração de hidrogênio de forma controlável, a baixo custo, com subprodutos não tóxicos e estabilidade relativamente alta tanto no estado sólido quanto em solução. Durante o processo de hidrólise ele pode gerar 4 mols de H2, mas deve-se empregar catalisadores para garantir maior velocidade, melhor desempenho da reação e implementar processos de regeneração dos subprodutos, prolongando a vida útil do carreador. Neste trabalho, catalisadores de ZnWO4 foram sintetizados pelo método hidrotérmico sob variação sistemática do pH de síntese (5, 7, 9, 10, 11 e 12), com o objetivo de investigar a influência dessa variável sobre as propriedades físico-químicas do material e seu desempenho em aplicações como catalisadores da reação, facilitando a reação de hidrólise e convertendo-o a hidrogênio de forma mais favorável e rápida. O método hidrotermal garante elevada área superficial devido a sua baixa temperatura de obtenção e pode produzir materiais com diferentes morfologias e áreas superficiais, de acordo com os parâmetros reacionais, que influenciam na cinética da reação. Os catalisadores já sintetizados em diferentes condições reacionais apresentaram área superficial específica que varia sistematicamente com o pH hidrotérmico, evidenciando que a acidez do meio reacional condiciona diretamente a nucleação e o crescimento dos cristalitos no interior do reator, com consequente impacto sobre a textura porosa e área superficial do material. Entre os materiais avaliados, o ZnWO4 puro obtido em pH 5 exibiu a maior capacidade adsortiva global, com desempenho notavelmente superior. Nesta fase, a relação entre as áreas superficiais, morfologias observadas e atividades catalíticas de geração de hidrogênio, será avaliada em diferentes condições. Iremos avaliar também o efeito da temperatura, concentração de NaBH4, concentração de NaOH e concentração de catalisador para selecionar os catalisadores com melhor eficiência catalítica, de acordo com cada estrutura. Os parâmetros cinéticos e termodinâmicos da reação de hidrólise do NaBH4 serão determinados, assim como a lei de velocidade com as respectivas ordens.