Estudo de caso: Espuma de titânio para eletrolisadores de água PEM

Introdução

A Stanford Advanced Materials (SAM), uma fonte confiável de materiais avançados e metais especiais, apoiou recentemente um projeto de pesquisa universitária nos Estados Unidos que exigia espuma de titânio de alta qualidade como parte de um eletrolisador de água PEM(Proton Exchange Membrane).

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O desafio

A equipe de pesquisa procurou a SAM com os seguintes requisitos:

• Adequação do material para pesquisa de PEM - A espuma de titânio precisava demonstrar estabilidade quando exposta a condições de operação altamente ácidas, típicas dos eletrolisadores de PEM.
• Integridade estrutural e porosidade - A espuma tinha que ser mecanicamente estável e, ao mesmo tempo, fornecer redes de poros adequadas para facilitar a difusão do gás e a dispersão do catalisador.
• Dimensões da amostra em escala de pesquisa - O teste exigiu uma configuração experimental e o teste de uma folha de espuma de titânio (20 cm × 20 cm × 5 mm) no laboratório.

A solução

O consultor técnicoda SAM recomendou o uso da espuma de titânio TI1816, um produto de titânio poroso de altíssima qualidade amplamente utilizado em aplicações de energia e eletroquímicas.

A espuma de titânioda SAM contém uma camada de óxido de ocorrência natural que a protege contra a corrosão em ambientes ácidos. A espuma fornecida apresentou alta área de superfície e porosidade aberta, o que aumentou a utilização do catalisador e promoveu a liberação eficaz de hidrogênio e oxigênio.

Os resultados

O grupo de pesquisa foi bem-sucedido na implementação da espuma de titânio da SAM em suas atividades de P&D envolvendo eletrolisadores de água PEM. Os principais resultados foram:

• Validação da espuma de titânio como um substrato adequado - O material demonstrou o potencial para servir como suporte de eletrodo, atendendo aos requisitos estruturais e de resistência à corrosão.
• Eficácia aprimorada da pesquisa - As dimensões precisas permitiram a integração direta em montagens de teste sem usinagem adicional.
• Possibilitando a P&D de energia limpa - Com a aquisição de espuma de titânio da SAM, o projeto continuou seu objetivo de otimizar a eficiência do eletrolisador e o desempenho da produção de hidrogênio.

O que é espuma de titânio?

A espuma de titânio é um metal leve tridimensional e poroso que combina as vantagens mecânicas e químicas do titânio com os recursos de desempenho exclusivos de uma estrutura de espuma. Ela é fabricada usando métodos como metalurgia do pó com técnicas de suporte espacial, fundição por congelamento ou manufatura aditiva (impressão 3D), que permitem o controle da porosidade, do tamanho dos poros e da homogeneidade estrutural.

Características estruturais

Em geral, a espuma de titânio possui porosidade na faixa de 40% a 80%, que pode ser ajustada de acordo com a aplicação desejada. O tamanho dos poros pode ser ajustado de dezenas de mícrons a vários milímetros, permitindo características de transporte de massa personalizadas. Apesar de ter estrutura aberta, a resistência à compressão e a rigidez da espuma de titânio em relação à densidade são muito altas, o que a torna resistente sob carga. O fato de a estrutura metálica ser contínua proporciona boa condução elétrica e, consequentemente, é adequada como suporte de eletrodo ou coletor de corrente.

Principais recursos

1. Resistência à corrosão - O revestimento de TiO₂ do titânio é resistente à degradação ácida e oxidativa.
2. Alta área de superfície específica - Oferece amplos locais de reação para facilitar as reações eletroquímicas e a deposição de catalisadores.
3. Permeabilidade a gases e fluidos - Os poros são conectados de forma que a liberação de gás e o transporte de água possam ser eficazes.
4. Estrutura de baixa densidade - Menor densidade em comparação com o titânio sólido, mas mantém a resistência necessária.
5. Biocompatibilidade - Não é tóxico e é compatível com sistemas biológicos, portanto, é utilizado igualmente em aplicações biomédicas.

Aplicações da espuma de titânio

• Energia e eletroquímica: A espuma de titânio serve como substratos de ânodo, suportes de catalisador e coletores de corrente em eletrolisadores de água PEM e como campos de fluxo e camadas de difusão de gás em células de combustível. Ela também é usada como suporte condutor em baterias de íons de lítio e de estado sólido.
• Engenharia biomédica: A espuma de titânio em estruturas ósseas e implantes ósseos melhora a osteointegração e em próteses dentárias e implantes cirúrgicos devido à sua biocompatibilidade e resistência.
• Processamento químico e catálise: É aplicado como suporte de catalisador em reações de hidrogenação e oxidação e em filtros e reatores eletroquímicos que exigem resistência à corrosão.
• Aeroespacial e defesa: A espuma de titânio fornece membros estruturais leves e resistentes à corrosão e compostos de gerenciamento térmico para aplicações aeroespaciais.

Por que a espuma de titânio e não outro material?

Na seleção de materiais de eletrodo e substrato para eletrolisadores de água PEM, há várias opções, mas a espuma de titânio tem certas vantagens:

Para obter mais informações e materiais avançados, consulte a Stanford Advanced Materials (SAM).

O que é a espuma de titânio TI1816 da SAM?

O TI1816 Titanium Foam é um material de titânio poroso exclusivo fornecido pela Stanford Advanced Materials. Fornecido em chapas de dimensões, espessuras e taxas de porosidade especiais para atender aos requisitos especiais dos clientes, ele é fabricado com alta pureza e homogeneidade estrutural e é particularmente adequado para ambientes exigentes, como eletrólise, catálise e pesquisa biomédica.

Conclusão

Por meio dessa colaboração, a Stanford Advanced Materials forneceu espuma de titânio feita sob medida para pesquisa em eletrolisador de água PEM. Desde o cumprimento dos requisitos estruturais e de resistência à corrosão do projeto até o fornecimento de dimensões precisas, a SAM se estabeleceu como uma colaboradora confiável para clientes do setor e acadêmicos.

Referências:

[1] Lettenmeier, Philipp & Gago, Aldo & Friedrich, K. (2017). Protective Coatings for Low-Cost Bipolar Plates and Current Collectors of Proton Exchange Membrane Electrolyzers for Large Scale Energy Storage from Renewables (Revestimentos protetores para placas bipolares de baixo custo e coletores de corrente de eletrolisadores de membrana de troca de prótons para armazenamento de energia em larga escala a partir de fontes renováveis). 10.5772/intechopen.68528.