A energia azul — a energia livre libertada quando a água salgada do mar e a água doce dos rios se encontram e se misturam em estuários — poderá tornar-se uma importante fonte de electricidade global no futuro. A mistura capacitiva, uma técnica promissora que explora o ciclo de carga e descarga de condensadores, pode ser utilizada para aproveitar esta energia, mas a otimização de dispositivos para esta tarefa não é fácil.
Investigadores em França, liderados por Benjamin Rotenberg do Centro Nacional de Investigação Científica (CNRS) e da Universidade Sorbonne, em Paris, demonstraram que as simulações moleculares podem prever de forma realista a capacidade de dispositivos que contenham materiais de carbono nanoporosos como elétrodos e água salgada como eletrólito. Quando aplicada de forma inversa, esta técnica mostra-se também eficiente para dessalinizar água num processo conhecido como dessalinização capacitiva.
O projeto foi realizado com recurso ao supercomputador MareNostrum em Barcelona e ao supercomputador Curie perto de Paris.
Tanto na mistura capacitiva (CapMix) como na desionização capacitiva (CDI), os elétrodos de carbono nanoporosos apresentam uma maior área superficial em contacto com o eletrólito, aumentando a capacitância específica do dispositivo. Os investigadores descobriram anteriormente que a capacitância dos supercondensadores (também conhecidos como condensadores de dupla camada elétrica ou EDLCs) aumenta inesperadamente quando o tamanho dos poros dos elétrodos de carbono derivado de carboneto (CDC) utilizados nestes dispositivos de armazenamento de energia diminui para o tamanho dos iões do eletrólito. O problema é que estes dispositivos não se comportam como os modelos sugerem quando o tamanho dos poros no material atinge este valor.
Descrição à escala molecular.
"O nosso ponto de partida é uma descrição à escala molecular de moléculas de água, iões e elétrodos de carbono nanoporosos, com uma representação simplificada das interações entre eles", explica o líder da equipa, Benjamin Rotenberg, do Centro Nacional Francês de Investigação Científica (CNRS) e da Universidade Sorbonne, em Paris. "Tivemos em conta duas características importantes: a estrutura complexa do material do elétrodo e a sua polarização pelo eletrólito quando é aplicada uma voltagem entre os elétrodos.
De seguida, realizamos experiências numéricas e observamos a trajetória de cada átomo/molécula do sistema. A partir dos dados obtidos, calculamos propriedades que podem ser comparadas diretamente com os resultados experimentais, por exemplo, a capacitância dos dispositivos. A boa concordância entre os dois corrobora o nosso modelo."
No contexto da energia azul, os investigadores baseiam-se em duas teorias da interface elétrodo-eletrólito: as teorias de Debye-Hückel e de Poisson-Boltzmann. Estas teorias são muito úteis em muitos casos, por exemplo, para elétrodos planos ou porosos com poros muito grandes. "No entanto, falham no presente caso de confinamento extremo, onde os efeitos moleculares desempenham um papel significativo", afirma Rotenberg.
Uma descrição mais simples
: Relativamente à CDI, é frequentemente utilizado um outro modelo, o modelo de Donnan modificado. "Esta é uma descrição ainda mais simples do equilíbrio entre os nanoporos e o eletrólito em massa", explica Rotenberg. "Introduz parâmetros efetivos que são geralmente ajustados para se adequarem aos dados experimentais.
Embora a utilização de parâmetros da literatura para materiais semelhantes não nos permita reproduzir os nossos resultados experimentais em todas as condições, podemos obter boas previsões ajustando os parâmetros de um modelo de Donnan modificado para reproduzir as simulações a altas concentrações de sal no eletrólito. Desta forma, podemos extrapolar as previsões para concentrações de sal mais baixas sem realizar experiências reais."
Embora não seja a ideal, os investigadores afirmam que a abordagem permite prever com bastante precisão a capacidade experimental dos seus dispositivos a concentrações de sal mais baixas.
Previsão fidedigna da capacitância
“O nosso trabalho confirma que os elétrodos de carbono nanoporosos, já utilizados em supercondensadores para armazenamento de energia, são promissores tanto para o CapMix como para o CDI”, disse Rotenberg ao nanotechweb.org. “Demonstra também que as simulações realistas de dinâmica molecular são boas para investigar os mecanismos fundamentais que atuam nestes materiais. E que as simulações podem ser utilizadas para prever a capacitância de forma fiável, especialmente a altas concentrações de sal”.
A equipa, que inclui cientistas da Universidade de Toulouse, no âmbito da rede francesa de investigação em armazenamento eletroquímico de energia, RS2E, afirma que está agora a simular outros sais para abordar os efeitos específicos dos iões.
“Estamos também a estudar diferentes estruturas de carbono e a desenvolver descrições melhoradas e mais simples que nos permitirão ultrapassar as limitações das nossas simulações moleculares. Infelizmente, o custo computacional das mesmas ainda nos impede de simular o comportamento de eletrólitos com salinidades comparáveis à da água dos rios.”
O sucesso desta investigação foi reconhecido com o prémio HPCwire de "Melhor Utilização de HPC em Energia". O prémio foi entregue conjuntamente à PRACE (Parceria para Computação Avançada na Europa), ao Centro de Supercomputação de Barcelona (BSC) e à organização francesa de supercomputação GENCI na Conferência Internacional de Computação de Alto Desempenho, Redes, Armazenamento e Análise (SC18) de 2018, em Dallas, Texas.
