Oxidation-resilient structural modifications in Nickel-functionalized 3D-graphene for hydrogen storage applications

O mundo está à procura de uma forma de armazenar hidrogênio, um combustível limpo que queima sem produzir dióxido de carbono. Embora o hidrogênio prometa muito para impulsionar carros e a indústria, mantê-lo seguro e denso o suficiente para ser útil é um grande obstáculo. Os métodos tradicionais envolvem comprimir o gás em tanques pesados ou congelá-lo em estado líquido, ambos os processos consomem muita energia e acarretam riscos de segurança. Cientistas estão voltando cada vez mais para materiais sólidos que possam agir como esponjas, absorvendo átomos de hidrogênio e segurando-os firmemente até que sejam necessários. Entre esses materiais, o grafeno — uma única camada de átomos de carbono dispostos em um padrão de favo de mel — tem sido há muito tempo um favorito devido à sua imensa área de superfície. No entanto, folhas planas de grafeno tendem a se agrupar, perdendo sua capacidade de absorver gases. Para resolver isso, pesquisadores desenvolveram versões tridimensionais deste material, criando uma rede porosa, semelhante a uma esponja, que mantém a área de superfície alta e acessível. O desafio agora é tornar essas esponjas ainda melhores em agarrar o hidrogênio e garantir que possam sobreviver no mundo real, onde o ar e o oxigênio estão sempre presentes.

Uma equipe de pesquisadores na Itália e na Áustria deu um passo significativo ao testar como a adição de minúsculas partículas de níquel a esta esponja de grafeno 3D afeta sua capacidade de armazenar hidrogênio e resistir aos danos do oxigênio. Eles começaram com um arcabouço de carbeto de silício poroso, uma estrutura robusta que transformaram em uma estrutura de grafeno 3D ao aquecê-la a temperaturas extremas. Em seguida, mergulharam essa estrutura em um líquido contendo nanopartículas de níquel, permitindo que os pontos metálicos se depositassem na superfície. O objetivo era ver se essas partículas de níquel atuariam como catalisadores, ajudando o grafeno a agarrar o hidrogênio mais facilmente, e entender o que acontece quando o material é exposto ao ar.

Os pesquisadores primeiro examinaram o material sob microscópios poderosos para ver como o níquel parecia antes e depois do aquecimento. Antes de qualquer tratamento térmico, o nígel aparecia como pontos distintos e minúsculos espalhados pela superfície do grafeno. No entanto, quando aqueceram a amostra a 900 graus Celsius, algo interessante aconteceu: os pontos individuais pareceram desaparecer. Em vez de sumirem, o níquel espalhou-se para cobrir extensas áreas de superfície, deixando de ser distinguível como entidades discretas. Essa mudança sugeriu que o níquel não estava apenas sentado sobre o grafeno, mas provavelmente deslizando por baixo das camadas de grafeno, um processo conhecido como intercalação. Para confirmar o que estava acontecendo quimicamente, eles usaram uma técnica que mede a energia dos elétrons que saem da superfície. Esta análise mostrou que, conforme a temperatura subia, o níquel tornava-se mais metálico e menos coberto pelos produtos químicos usados para fabricar as partículas. Crucialmente, os dados indicaram que o níquel estava se movendo para baixo do grafeno, o que é um fator fundamental em como o material se comporta posteriormente.

Quando a equipe testou quanto hidrogênio o material conseguia conter, descobriu que o tratamento térmico fez uma enorme diferença. Amostras aquecidas a 900 graus Celsius absorveram e liberaram significativamente mais hidrogênio do que aquelas aquecidas a temperaturas mais baixas. Isso ocorreu porque o alto calor removeu impurezas superficiais e criou mais pontos ativos para o hidrogênio se fixar. Mas o verdadeiro teste veio quando introduziram o oxigênio. No mundo real, o combustível de hidrogênio frequentemente contém pequenas quantidades de oxigênio, que podem envenenar materiais de armazenamento e impedir seu funcionamento. Quando os pesquisadores expuseram suas amostras tratadas com níquel ao ar por dois dias, a capacidade do material de armazenar hidrogênio caiu drasticamente. Os pontos de armazenamento de alta temperatura, que tinham sido tão eficazes, foram quase completamente bloqueados pelo oxigênio, particularmente quando expostos ao hidrogênio molecular.

Contudo, a história não terminou em fracasso. Os pesquisadores descobriram que o dano não era permanente. Quando aqueceram novamente as amostras expostas ao oxigênio a 900 graus Celsius e depois as expuseram ao hidrogênio atômico, o material recuperou sua capacidade de armazenar hidrogênio. Os pontos de armazenamento de alta temperatura retornaram, provando que o processo era reversível. Ainda mais surpreendente, um tipo específico de local de armazenamento permaneceu forte durante todo o processo. Este local, que opera em uma temperatura moderada, não perdeu sua capacidade de conter hidrogênio mesmo após a exposição ao oxigênio. De fato, após o material ser aquecido e resfriado várias vezes, este armazenamento de temperatura moderada tornou-se, na verdade, mais forte, retendo cerca de 85% mais hidrogênio do que antes. Os pesquisadores acreditam que isso ocorre porque o níquel que deslizou para baixo do grafeno criou bordas protegidas onde o hidrogênio poderia se esconder, seguro do oxigênio que estava bloqueando a superfície.

O estudo conclui que, embora o oxigênio possa dificultar temporariamente o desempenho desses avançados esponjas de hidrogênio, o dano não é permanente. Ao usar o calor intenso para limpar a superfície e contar com o níquel que se moveu para baixo do grafeno, o material pode ser restaurado e até melhorado. O grafeno 3D funcionalizado com níquel mostra uma resiliência notável, mantendo sua capacidade de armazenar hidrogênio mesmo após ciclos repetidos de exposição ao ar e regeneração. Isso sugere que tais materiais podem ser candidatos viáveis para sistemas de armazenamento de hidrogênio no mundo real, desde que sejam gerenciados com os ciclos de aquecimento adequados para mantê-los limpos e ativos. O trabalho destaca que a interação entre o metal e a estrutura de carbono é complexa e dinâmica, oferecendo um caminho para soluções de armazenamento de energia mais estáveis e eficientes.