O papel do nióbio na economia do hidrogênio

Introdução

O nióbio é um material valioso na economia do hidrogênio, possibilitando avanços no armazenamento de hidrogênio, na produção e na tecnologia de células de combustível. Devido à sua resistência à corrosão, estabilidade térmica e potencial para a criação de novas ligas e compostos, o nióbio está se tornando um material de destaque na cadeia de valor do hidrogênio.

Por que: materiais à base de nióbio para armazenamento de hidrogênio

O armazenamento de hidrogênioé talvez o maior desafio para a realização de uma economia de hidrogênio. Os métodos convencionais de armazenamento - ou seja, tanques de alta pressão ou liquefação criogênica - consomem muita energia e são caros. O nióbio oferece uma alternativa promissora na forma de hidretos metálicos.

O nióbio pode formar hidretos de nióbio ou ligas com outros metais (titânio, zircônio e vanádio) para formar compostos capazes de armazenar hidrogênio em baixa temperatura e pressão. Esses sistemas de armazenamento baseados em nióbio oferecem

- Altadensidade volumétrica de hidrogênio - mais hidrogênio em menos espaço armazenado.

- Ciclos reversíveisde absorção/dessorção - reutilização sem degradação significativa repetidamente.

- Maiorsegurança - o hidrogênio na forma sólida reduz o risco de vazamentos ou explosões.

Por exemplo, as ligas de Nb-Ti demonstraram alta capacidade de absorção de hidrogênio com estabilidade mecânica satisfatória durante ciclos repetidos de carga e descarga, tornando-as viáveis para aplicações de armazenamento de hidrogênio móvel e estacionário.

O quê: materiais à base de nióbio para armazenamento de hidrogênio

O valor do nióbio no armazenamento de hidrogênio vai além de sua aplicação como metal de base. Ele pode ser incorporado a materiais compostos para aprimorar suas propriedades de interação com o hidrogênio. Alguns deles são:

- Materiais revestidos com nióbiopara aprimorar o controle da permeabilidade ao hidrogênio.

- Hidretos metálicos dopados com nióbioque reduzem a energia de ativação para a absorção de hidrogênio.

- Materiais de carbeto de nióbioe nitreto de nióbio como promotores catalíticos em meios de armazenamento de hidrogênio.

Em experimentos de laboratório, os materiais compostos à base de nióbio mostraram-se promissores para melhorar as taxas de absorção de hidrogênio e a capacidade de armazenamento em relação aos hidretos convencionais. Esse comportamento posiciona o nióbio como um elemento-chave para o desenvolvimento de materiais de armazenamento de próxima geração.

Leia mais: Quais são as aplicações do nióbio?

Onde: Materiais à base de nióbio para armazenamento de hidrogênio

--Nióbio em tecnologias de produção de hidrogênio

Os processos de produção de hidrogênio, como a eletrólise e a divisão termoquímica da água, exigem materiais que resistam à corrosão sob condições químicas e térmicas agressivas. A resistência à corrosão do nióbio e sua capacidade de formar óxidos estáveis fazem dele um excelente candidato para eletrodos, revestimentos e componentes de reatores nessas aplicações.

As ligas de nióbio resistem à eletrólise a vapor de alta temperatura, mantendo a integridade mecânica e a resistência à oxidação e prolongando a vida útil do equipamento. Os óxidos de nióbio também podem ser usados como camadas funcionais para promover a condutividade e a atividade catalítica em células eletrolíticas.

--Catalisadores de nióbio para reações de evolução de hidrogênio (HER)

A reação de evolução do hidrogênio - um processo fundamental na eletrólise da água - precisa de catalisadores eficazes para dissociar a água em hidrogênio e oxigênio. A platina é o catalisador padrão, mas é cara e limitada. O nióbio é uma opção atraente, principalmente quando ligado a outros elementos.

Os catalisadores com suporte de nióbio, como metais de transição com suporte de Nb₂O₅ ou nitretos de nióbio, apresentam atividade catalítica HER com bom desempenho:

- Atividade catalítica HERcom bom desempenho.

- Estabilidadea longo prazo em eletrólitos ácidos e alcalinos.

- Benefícios econômicosem relação aos metais do grupo da platina.

Por exemplo, as nanopartículas de nitreto de nióbio suportadas em carbono demonstraram atividade HER competitiva, o que as torna atraentes para dispositivos de produção de hidrogênio em larga escala.

--O papel do nióbio em células de combustível e eletrolisadores de hidrogênio

Nas células de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFCs), o nióbio é usado para aumentar a durabilidade da membrana e a eficiência do catalisador. Os óxidos de nióbio podem ajudar a melhorar a condutividade dos prótons e, ao mesmo tempo, reduzir a degradação causada por condições operacionais adversas.

Em eletrolisadores, o uso de placas bipolares revestidas com nióbio aumenta a resistência à corrosão e reduz a resistência de contato, resultando em maior eficiência e vida útil mais longa. Esses benefícios são mais importantes para reduzir o custo geral da produção de hidrogênio e melhorar a viabilidade comercial.

Conclusão

O nióbio não é mais apenas uma especialidade aeroespacial e um metal supercondutor - ele está se tornando um facilitador estratégico da economia do hidrogênio. Seja maximizando a densidade de armazenamento e a segurança do hidrogênio ou refinando o desempenho do catalisador na produção e nos sistemas de células de combustível, o nióbio está pronto para ser um importante contribuinte para o avanço das tecnologias de hidrogênio limpo.

Perguntas frequentes

F: Por que o nióbio é adequado para o armazenamento de hidrogênio?

P: Ele forma ligas e hidretos estáveis que armazenam o hidrogênio com segurança em pressões e temperaturas moderadas.

F: O nióbio pode substituir a platina na produção de hidrogênio?

P: Em alguns sistemas catalíticos, sim - os catalisadores à base de nióbio podem reduzir a necessidade da cara platina.

F: Onde o nióbio já está sendo usado na economia de hidrogênio?

P: Em membranas de células de combustível, componentes de eletrolisadores e ligas de armazenamento de hidrogênio.