Quando a água é dividida eletroliticamente, o resultado é tipicamente hidrogênio – e oxigênio inútil. Em vez de oxigênio, você também pode produzir um produto útil. Se você souber como.
Devido à sua alta disponibilidade, a água é considerada o material de partida mais útil para a produção de hidrogênio. Idealmente, a conversão de água em hidrogênio produz uma segunda substância útil: peróxido de hidrogênio, que é necessário para muitos ramos da indústria, por exemplo, para a produção de desinfetantes. Condições especiais de reação são necessárias para obter peróxido de hidrogênio a partir da divisão da água. Sabia-se que a presença de carbonato é útil. Mas por que isso acontece não estava claro. Uma equipe da Universidade Ruhr Bochum, Alemanha, agora elucidou o mecanismo por trás disso.
O grupo liderado por Lejing Li, Dra. Carla Santana Santos e Professor Wolfgang Schuhmann do Centro de Eletroquímica da Universidade Ruhr de Bochum descreve os resultados na revista “Angewandte Chemie International Edition” de 24 de junho de 2024.
Matando dois pássaros com uma pedra
“O peróxido de hidrogênio é um produto químico valioso que tem que ser produzido usando processos complexos que nem sempre são inofensivos ao meio ambiente, diz Wolfgang Schuhmann. Seria útil se a substância pudesse ser obtida em grandes quantidades da divisão eletrolítica da água, que também produz o transportador de energia hidrogênio. “No entanto, isso é termodinamicamente complicado”, explica Lejing Li. Isso ocorre porque a produção de oxigênio é, por assim dizer, energeticamente mais simples.
No entanto, se um tampão de carbonato for adicionado à solução, a situação muda. Este é o ácido carbônico (H2CO3), que pode liberar um próton (H+), resultando em carbonato de hidrogênio (HCO3–), que pode reagir ainda mais para formar dióxido de carbono (CO2). Tais tampões ajudam a manter o valor de pH das soluções estável. No entanto, as condições na solução de reação não são idênticas em todos os lugares.
A conversão de água em hidrogênio e oxigênio ocorre nas superfícies de dois eletrodos, entre os quais uma voltagem é aplicada. Quando elétrons carregados negativamente são transferidos, prótons carregados positivamente são liberados ao mesmo tempo. Os prótons alteram o valor do pH na vizinhança imediata do eletrodo, enquanto o valor do pH permanece estável mais longe na solução.
Medições de valores de pH locais
Usando um método que eles mesmos desenvolveram, a equipe de Bochum determinou o valor do pH na vizinhança imediata do eletrodo sob diferentes condições de reação e mostrou que o peróxido de hidrogênio é produzido preferencialmente quando há muito carbonato de hidrogênio na vizinhança do eletrodo. Sob essas condições, um produto de reação intermediário é formado que previne a formação de oxigênio indesejado.
“Esses resultados inicialmente parecem pesquisa básica abstrata”, admite Lejing Li. “Mas a produção de hidrogênio e peróxido de hidrogênio é extremamente importante. Somente se entendermos os processos precisamente poderemos torná-los melhores.”
Lejing Li, Rajini P. Antony, Carla Santana Santos, Ndrina Limani, Stefan Dieckhöfer, Wolfgang Schuhmann: Anodic H2O2 Geração em eletrólitos à base de carbonato – Visão mecanística da microscopia eletroquímica de varredura, em: Angewandte Chemie International Edition, 2024, DOI: 10.1002/anie.202406543
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