Uma equipa de cientistas de materiais desenvolveu um novo material de carbono de origem biológica capaz de armazenar energia térmica de forma mais eficiente, ao mesmo tempo que resolve um dos problemas mais persistentes dos materiais de mudança de fase: a fuga de material durante a fusão. O estudo demonstra como o carbono obtido a partir da quitina — um polímero natural presente nas carapaças de crustáceos e nos fungos — pode estabilizar compostos armazenadores de calor e melhorar o seu desempenho em aplicações energéticas.
Os materiais de mudança de fase armazenam e libertam calor ao fundirem e solidificarem, o que os torna particularmente atrativos para aplicações como a regulação térmica de edifícios, o armazenamento de energia solar e a gestão térmica de equipamentos eletrónicos. No entanto, muitos destes materiais orgânicos apresentam problemas de fuga quando entram em fusão, limitando a sua durabilidade e utilização prática.
No novo trabalho, publicado na revista Sustainable Carbon Materials, os investigadores transformaram a quitina num aerogel ultraleve e, posteriormente, submeteram-no a um processo de carbonização para criar uma estrutura de carbono altamente porosa. Este aerogel de carbono foi utilizado para encapsular ácido esteárico, um dos materiais de mudança de fase orgânicos mais estudados, dando origem a um compósito com forma estável, que permanece sólido mesmo quando o ácido esteárico derrete.
“O nosso objetivo foi desenvolver um suporte de baixo custo e ambientalmente sustentável que consiga reter grandes quantidades de material de mudança de fase sem fugas”, explica Hui Li, autor correspondente do estudo. “A quitina é abundante, renovável e naturalmente rica em azoto, o que a torna especialmente atrativa para esta aplicação”, acrescenta.
O aerogel de carbono derivado da quitina apresenta uma rede de poros interligados e um volume poroso muito elevado. Estes poros oferecem espaço suficiente para conter o ácido esteárico fundido, enquanto forças capilares intensas e interações por ligações de hidrogénio impedem que o material escorra. Graças a este mecanismo, o compósito consegue incorporar até 60% de ácido esteárico em peso sem apresentar qualquer fuga visível.
Os testes térmicos revelaram uma elevada densidade de armazenamento de energia, com uma entalpia de fusão de cerca de 118 joules por grama — um valor significativamente superior ao de muitos compósitos de mudança de fase derivados de biomassa anteriormente descritos. O material demonstrou ainda uma condutividade térmica melhorada em comparação com o ácido esteárico puro, permitindo uma absorção e libertação de calor mais eficientes.
Outro aspeto relevante é a durabilidade. Após cem ciclos de aquecimento e arrefecimento, o compósito manteve praticamente inalterada a temperatura de mudança de fase e conservou mais de 97% da sua capacidade original de armazenamento de calor. Análises estruturais e químicas confirmaram a estabilidade do material ao longo da utilização repetida.
@Hengdi Li, Junchi Wang, Lingbin Kong, Hongli Guo, Qiangqiang Xiao, Guoning Li, Nzondelelo Bingwa, Yunpu Wang & Hui Li
“A fiabilidade a longo prazo é essencial para sistemas reais de armazenamento de energia”, sublinha Hui Li. “Os nossos resultados mostram que este aerogel de carbono à base de quitina consegue armazenar e libertar calor de forma repetida, sem degradação estrutural”, revela.
Os investigadores observaram ainda que o aerogel de carbono aumenta a energia de ativação necessária para a mudança de fase do ácido esteárico, o que indica uma maior estabilidade térmica. Este efeito está associado ao confinamento à nanoescala nos poros do material e às ligações de hidrogénio estabelecidas entre a superfície do carbono dopado com azoto e as moléculas do ácido esteárico.
Uma vez que a quitina pode ser obtida a partir de resíduos da indústria do marisco, esta abordagem oferece uma via promissora para transformar subprodutos biológicos em materiais funcionais de elevado valor acrescentado. A equipa acredita que a estratégia poderá ser adaptada a outros materiais de mudança de fase e ajustada a diferentes intervalos de temperatura.
“Este trabalho demonstra como os materiais de carbono sustentáveis podem responder simultaneamente a desafios de eficiência energética e ambientais”, conclui Hui Li. “Abre novas perspetivas para tecnologias mais verdes de armazenamento de energia térmica em edifícios, dispositivos eletrónicos e sistemas de energias renováveis.”
O estudo destaca, assim, o potencial da combinação entre polímeros naturais e design avançado de materiais para criar soluções práticas para os desafios energéticos atuais, reduzindo a dependência de recursos de origem fóssil.
