Síntese, caracterização e aplicação de nanocatalisadores na evolução de hidrogênio a partir da hidrólise de borohidreto de sódio

Abstract

A transição para uma matriz energética sustentável depende de fontes limpas e eficientes, sendo o hidrogênio um candidato promissor. No entanto, desafios logísticos, especialmente no armazenamento e transporte, limitam sua implementação em larga escala. Neste contexto, duas abordagens inovadoras foram investigadas para otimizar esses aspectos críticos. Na primeira estratégia, avaliou-se a liberação de hidrogênio utilizando nanopartículas de Ni-Co (NPs Ni-Co) suportadas em pasta eletrolítica reciclada de pilhas. Os catalisadores apresentaram uma estrutura porosa e uma composição enriquecida com óxidos metálicos (ZnO, ZnMn2O4) e carbono, resultando em taxas de geração de hidrogênio de até 1823,93 mL H2 g-1catal min-1 a 55°C, com uma energia de ativação de 32,76 kJ·mol-1. Além disso, os materiais mantiveram desempenho sustentável ao longo de 16 ciclos de reutilização. Na segunda abordagem, explorou-se, pela primeira vez, o uso de catalisadores à base de niobatos alcalinos (NaNbO3 e LiNbO3) decorados com nanopartículas de platina (Pt NPs) na geração de hidrogênio a partir de NaBH4. Com tamanhos de partícula inferiores a 20 nm, os catalisadores Pt NPs/NaNbO3 e Pt NPs/LiNbO3 apresentaram elevadas taxas de geração de hidrogênio, alcançando 2044,9 e 2303,7 mL H2 gcat-1 min-1, respectivamente, a 20°C. As energias de ativação correspondentes foram de 35,54 e 35,04 kJ·mol-1, indicando desempenho superior em comparação com materiais similares. Ambos os materiais mantiveram eficiência catalítica com uma redução inferior a 20% após 10 ciclos de reutilização. Os resultados destacam o potencial de catalisadores avançados, especialmente os derivados de materiais reciclados ou niobatos alcalinos, para a geração sustentável de hidrogênio e a promoção de uma transição energética eficiente e ecológica. Palavras-chave: Armazenadores de hidrogênio; Catálise; Nanomaterias; Hidretos complexos.

The transition to a sustainable energy matrix relies on clean and efficient sources, with hydrogen emerging as a promising candidate. However, logistical challenges—particularly in storage and transportation—still hinder its large-scale deployment. In this context, two innovative approaches were investigated to optimize these critical aspects. In the first strategy, hydrogen release was evaluated using Ni- Co nanoparticles (Ni-Co NPs) supported on recycled battery paste. The catalysts exhibited a porous structure and a composition enriched with metal oxides (ZnO, ZnMn2O4) and carbon, resulting in hydrogen generation rates of up to 1823.93 mL H2 gcat-1 min-1 at 55?°C, with an activation energy of 32.76 kJ·mol-1. Moreover, the materials maintained stable performance over 16 reuse cycles. In the second approach, the use of alkali niobate-based catalysts (NaNbO3 and LiNbO3) decorated with platinum nanoparticles (Pt NPs) was explored for the first time in hydrogen generation from NaBH4. With particle sizes below 20 nm, Pt NPs/NaNbO3 and Pt NPs/LiNbO3 exhibited high hydrogen generation rates, reaching 2044.9 and 2303.7 mL H2 gcat-1 min-1 at 20?°C, respectively. The corresponding activation energies were 35.54 and 35.04 kJ·mol-1, indicating superior performance compared to similar materials. Both catalysts retained catalytic efficiency with less than 20% activity loss after 10 reuse cycles. These results underscore the potential of advanced catalysts, particularly those derived from recycled materials or alkali niobates, for sustainable hydrogen production and the advancement of an efficient and environmentally responsible energy transition. Keywords: Hydrogen storage; Catalysts; Nanomaterials; Complex hydrides.