Ligas de alta entropia para armazenamento de hidrogênio

Resumo

A busca por fontes de energia menos poluentes e renováveis que venham a substituir os combustíveis fosséis, e consequentemente reduzir as emissões de CO2, tem estimulado as pesquisas para o desenvolvimento de um sistema energético baseado no hidrogênio. No que se refere ao armazenamento de hidrogênio, vários tipos de materiais têm sido estudados, como hidretos (iônicos, covalentes ou metálicos), alanatos (LiAlH4), amidos (Mg(NH2)), e materiais baseados em carbono e zeólitas. Os hidretos metálicos apresentam-se como uma alternativa segura e promissora para armazenamento de hidrogênio no estado sólido devido às suas superiores capacidades gravimétrica e volumétrica. Entre as ligas mais investigadas para esta aplicação estão as ligas de Mg que apesar de apresentarem alta capacidade de armazenamento, apresentam algumas desvantagens como altas temperaturas e cinética lenta para absorção/dessorção de hidrogênio. Diferentes estratégias têm sido utilizadas para melhorar as características de armazenamento de hidrogênio como a obtenção de ligas nanocristalinas, e a adição de catalizadores. Outra estratégia que visa diminuir a temperatura de dessorção tem sido a adição de elementos de liga que venham a enfraquecer as ligações Mg-H facilitando a hidrogenação e desidrogenação. Além dos fatores citados, a estrutura da liga e número de interstícios são fatores importantes. Hidretos de metais com estruturas cúbicas de corpo centrado (CCC), que possuem um número maior de instertícios por átomo que as cúbicas de face centrada (CFC) e hexagonal compacta (HC), e ainda fases de Laves tem apresentado alta capacidade de armazenamento de hidrogênio a temperatura ambiente. Também tem sido reportado que a deformação da rede pode ser favorável para formação de hidretos por agir como força motriz para tornar acessível novos sítios intersticiais para o hidrogênio. Neste contexto, as ligas de alta entropia (LAE) apresentam-se como alternativas promissoras para aplicação em armazenamento de hidrogênio. As ligas de alta entropia são ligas multicomponentes nas quais o controle da entropia configuracional de mistura e outros parâmetros como incompatibilidade de tamanho atômico, entalpia de mistura e eletronegatividade, permitem a formação de soluções sólidas multicomponentes ao invés de compostos intermetálicos. A distorção da rede é uma característica típica das ligas de alta entropia devido à variação nos raios atômicos dos átomos constituintes. Recentemente, ligas de alta entropia com microestruturas compostas por soluções sólidas com estrutura CCC e\ou fase de Laves foram investigadas para armazenamento de hidrogênio com resultados promissores. A liga TiVZrNbHf por exemplo, que se cristaliza como uma única solução sólida multicomponente, é capaz de absorver 2,5 átomos de hidrogênio por átomo de metal, o que é consideravelmente superior aos hidretos de metais convencionais tais como o MgH2. Este projeto tem como objetivo desenvolver composições de LAE com propriedades de armazenamento de hidrogênio otimizadas. Os resultados obtidos deverão contribuir para um melhor entendimento das correlações entre processamento, estrutura e propriedades de ligas de alta entropia para armazenamento de hidrogênio. Este projeto está sendo submetido para ser realizado durante um estágio de pesquisa no exterior, mais precisamente no Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés, SIMAP, laboratório do Institut National Polytechnique de Grenoble, INP-Grenoble sob supervisão do Dr. Yannick Champion. O SIMAP conta com excelente estrutura, em especial em técnicas avançadas de caracterização de materiais, muitas das quais serão imprescindíveis para o completo entendimento das correlações entre estrutura, microestrutura e propriedades das ligas a serem desenvolvidas. Além dos resultados científicos esperados, este projeto servirá para estabelecer relações de cooperação em pesquisa entre o SIMAP e o Instituto de Ciência e Tecnologia (ICT) da UNIFESP.