Efeitos dopados com metais de transição para a estabilização cristalina dos óxidos de cério com o cálculo do primeiro princípio

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 10103 (2022) Citar este artigo

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Nos últimos anos, a energia do hidrogênio tem atraído atenção, e a produção de gás hidrogênio usando energia solar térmica tem sido conduzida. Os estudos de Kodama et al. foram relatados que a reação cíclica pode produzir eficientemente o gás hidrogênio por meio de uma reação redox térmica de duas etapas com o óxido de cério. A dopagem do metal de transição no óxido de cério melhorou a eficiência da reação. Consideramos o efeito de dopagem na reação redox térmica de duas etapas. Como resultado do cálculo pelo método DV-Xα, ficou claro que o óxido de cério dopado se torna uma ligação forte, o grande valor de BOP sem alterar a estrutura do cristal de cério na reação redox térmica de duas etapas. Os resultados dos cálculos teóricos corresponderam à melhoria da eficiência da reação térmica em resultados experimentais.

Nos últimos dias, a produção global de gás hidrogênio é de cerca de 700 bilhões de Nm3, o suficiente para abastecer mais de 600 milhões de veículos com células de combustível. No entanto, cerca de metade do gás hidrogênio é feito de gás natural. Quase 1/3 do hidrogênio é feito de petróleo bruto nas refinarias. E a maior parte do gás hidrogênio é consumida nas refinarias1. A partir desse pano de fundo, muitos estudos também foram relatados sobre a produção sustentável da energia do hidrogênio a partir da energia solar térmica, com foco na energia solar que pode ser usada permanentemente2,3,4,5. A energia solar irradia energia do sol para a terra, tipificada por energia renovável. Equivale a cerca de 4 milhões de EJ (1 EJ = 1018 J) por ano6.

A quantidade de energia extraída teoricamente poderia ser de cerca de 19.000 EJ, ​​e a quantidade de energia que pode ser extraída tecnicamente é estimada em apenas cerca de 1.900 EJ. Estima-se também que consome cerca de 20 EJ de energia por ano na vida humana. Se pudéssemos converter uma grande quantidade de energia solar em outra energia, poderíamos obter energia suficiente para nossa vida7. Portanto, faz sentido usar a energia solar para a produção de energia de hidrogênio. Além disso, vários estudos têm sido realizados na cadeia de suprimentos, como transporte e operação8. O gás hidrogênio também é transportado por caminhões-tanque e caminhões após ser convertido em hidrogênio líquido ou combustíveis líquidos, como metanol, amônia e metilciclohexano (MCH). A base para a produção de energia de hidrogênio também está fazendo progressos significativos, de modo que a importância da produção de energia de hidrogênio está aumentando1,9,10. Em experimentos de laboratório11,12,13,14,15,16, muitos experimentos de demonstração de produção de gás hidrogênio usando concentradores solares de feixe descendente foram conduzidos17,18,19,20, e espera-se que a comercialização da produção de gás hidrogênio se torne possível.

Na produção de gás hidrogênio, uma reação redox térmica de duas etapas é usada. A reação redox térmica de duas etapas é uma reação redox cíclica que consiste em uma reação de redução (1ª etapa: Eq. 1) com dessorção de oxigênio em altas temperaturas (> 1000 ℃) e uma reação de oxidação (2ª etapa: Eq. 2) com oxigênio adsorção em baixas temperaturas (< 1000 ℃). Na reação de oxidação térmica (2ª etapa), é possível decompor moléculas de água e produzir eficientemente gás hidrogênio sob vapor de alta temperatura14.

Além da reação de produção de hidrogênio, a reação redox térmica também pode ser usada para reformar o metano21,22 com CO2, portanto, a aplicação da reação redox térmica de duas etapas é ampla.

Na reação redox térmica de duas etapas, vários óxidos metálicos têm sido usados ​​como cerâmica de reação catalítica para melhorar a eficiência da produção de gás hidrogênio. Ehrhart et al. usou hercinita (FeAl2O4) no início do estudo de produção de gás hidrogênio23. Wong e outros. explorou materiais termoquímicos de armazenamento de calor (TCS) usando reações redox térmicas em Co3O4/CoO e Mn2O3/Mn3O424. Outros grupos de pesquisa também relataram as reações redox térmicas de duas etapas, como Mn2O3/Mn3O4, Co3O4/CoO e CuO/Cu2O25,26,27,28,29. Kodama et al. relataram vários materiais produtores de hidrogênio usando Fe3O4/c-YSZ, NiFe2O430, NiFe2O4/m-ZrO2, Fe3O4/m-ZrO231, Fe3O4/m-ZrO2/MPSZ32,33. Dentre esses experimentos, a pesquisa com óxido de cério tem sido promovida nos últimos anos34,35,36,37. O óxido de cério é um tipo de óxido lantanóide (CeO2) usado como um material de capacidade de armazenamento de oxigênio (OSC). Foi encontrado para ser aplicado a um catalisador e uma reação redox térmica de duas etapas.