Urina, não água, para uma produção eficiente de hidrogénio verde

Os investigadores desenvolveram dois sistemas únicos, eficientes em termos energéticos e económicos, que utilizam a ureia presente na urina e nas águas residuais para gerar hidrogénio.

Estes sistemas únicos revelam novas vias para gerar hidrogénio “verde” de forma económica, uma fonte de energia sustentável e renovável, e o potencial para remediar resíduos azotados em ambientes aquáticos.

Normalmente, o hidrogénio é gerado através da utilização da eletrólise para dividir a água em oxigénio e hidrogénio. Trata-se de uma tecnologia promissora para ajudar a resolver a crise energética global, mas o processo é intensivo em energia, o que o torna pouco rentável quando comparado com a extração de hidrogénio a partir de combustíveis fósseis (hidrogénio cinzento), um processo indesejável devido às emissões de carbono que gera.

Ao contrário da água, um sistema de eletrólise que gera hidrogénio a partir da ureia consome muito menos energia.

Apesar desta vantagem, os sistemas existentes à base de ureia enfrentam várias limitações, tais como as baixas quantidades de hidrogénio que podem ser extraídas e a geração de subprodutos azotados indesejáveis (nitratos e nitritos) que são tóxicos e competem com a produção de hidrogénio, reduzindo ainda mais a eficiência global do sistema.

Investigadores do Centro de Excelência para a Ciência e Inovação do Carbono do Conselho de Investigação Australiano (COE-CSI) e da Universidade de Adelaide desenvolveram dois sistemas de eletrólise à base de ureia que ultrapassam estes problemas e podem gerar hidrogénio verde a um custo que calcularam ser comparável ou mais barato do que o custo de produção de hidrogénio cinzento.

A investigação de cada sistema foi publicada em artigos separados, um na revista Angewandte Chemie International Edition e o outro na Nature Communications. O candidato a doutoramento Xintong Gao foi o primeiro autor do artigo da Angewandte Chemie International Edition e faz parte da equipa da Universidade dirigida pelo Investigador Principal do COE-CSI, Professor Yao Zheng, e pelo Professor Shizhang Qiao, Diretor Adjunto e Investigador Principal do COE-CSI, que pertencem à Escola de Engenharia Química.

A produção de hidrogénio a partir de ureia pura não é nova, mas a equipa encontrou um processo mais acessível e rentável que utiliza a urina como fonte alternativa à ureia pura.

“Embora não tenhamos resolvido todos os problemas, se estes sistemas forem ampliados, os nossos sistemas produzem gás nitrogénio inofensivo em vez dos nitratos e nitritos tóxicos e qualquer um deles utilizará entre 20 a 27% menos eletricidade do que os sistemas de separação de água”, afirma o Professor Zheng.

“Precisamos de reduzir o custo da produção de hidrogénio, mas de uma forma neutra em termos de carbono. O sistema do nosso primeiro artigo, apesar de utilizar um sistema único sem membranas e um novo catalisador à base de cobre, utilizava ureia pura, que é produzida através do processo de síntese de amoníaco Haber-Bosch, que consome muita energia e liberta muito CO2″, acrescenta,

“Resolvemos este problema utilizando uma fonte verde de ureia – a urina humana – que é a base do sistema analisado no nosso segundo artigo”, diz ainda.

A urina ou a ureia também podem ser obtidas a partir de esgotos e outras águas residuais com elevado teor de resíduos azotados. No entanto, a urina num sistema eletrocatalítico apresenta outro problema. Os iões de cloreto presentes na urina desencadeiam uma reação que gera cloro e provoca a corrosão irreversível do ânodo do sistema, onde ocorre a oxidação e a perda de eletrões.

“No primeiro sistema, desenvolvemos um sistema inovador e altamente eficiente de eletrólise da ureia sem membranas para a produção de hidrogénio a baixo custo. Neste segundo sistema, desenvolvemos um novo mecanismo de oxidação mediado pelo cloro que utilizava catalisadores à base de platina em suportes de carbono para produzir hidrogénio a partir da urina”, afirma o Professor Qiao.

A platina é um metal caro, precioso e finito e a sua procura crescente como material catalítico é insustentável. Uma das principais missões do Centro de Excelência da ARC para a Ciência e Inovação do Carbono é permitir tecnologias transformadoras de catalisadores de carbono para os sectores tradicionais da energia e da química.

A equipa da Universidade de Adelaide basear-se-á nesta investigação fundamental, desenvolvendo catalisadores de metais não preciosos suportados por carbono para a construção de sistemas de águas residuais de urina sem membranas, conseguindo uma recuperação de baixo custo do hidrogénio verde, ao mesmo tempo que se remedia o ambiente das águas residuais.