Tecnologia Científica

Dois é melhor do que um: eletrocatalisador de dímero de átomo único para produção de hidrogênio verde
Atualmente, a eficiência da eletrólise da água é limitada e frequentemente requer alta voltagem da célula devido à falta de eletrocatalisadores eficientes para as reações de evolução do hidrogênio
Por Institute for Basic Science - 21/11/2021


Modelos de representação de a) átomo único de níquel, b) átomo único de cobalto, c) dímero de átomo único de níquel-cobalto (NiCO-SAD-NC) ed) catalisadores de nanopartículas heterogêneas de níquel-cobalto. Crédito: Institute for Basic Science (William I. Suh)

O reservatório limitado de combustíveis fósseis e as ameaças cada vez maiores das mudanças climáticas encorajaram os pesquisadores a desenvolver tecnologias alternativas para produzir combustíveis ecológicos. O hidrogênio verde gerado a partir da eletrólise da água usando eletricidade renovável é considerado uma fonte de energia renovável de próxima geração para o futuro. Mas, na realidade, a esmagadora maioria do hidrogênio combustível é obtida a partir do refino de combustíveis fósseis devido ao alto custo da eletrólise.

Atualmente, a eficiência da eletrólise da água é limitada e frequentemente requer alta voltagem da célula devido à falta de eletrocatalisadores eficientes para as reações de evolução do hidrogênio . Metais nobres, como platina (Pt), são usados ​​como catalisadores para melhorar a geração de hidrogênio em meio ácido / alcalino. No entanto, esses catalisadores de metal nobre são muito caros e apresentam baixa estabilidade em operação de longo prazo.

Catalisadores de átomo único têm vantagens sobre seus homólogos baseados em nanomateriais, alcançando até 100 por cento de utilização do átomo, enquanto apenas os átomos da superfície das nanopartículas estão disponíveis para a reação. No entanto, devido à simplicidade do centro do átomo de metal único, realizar modificações adicionais dos catalisadores para realizar reações complexas de várias etapas é bastante difícil.

A maneira mais simples de modificar os átomos individuais é transformá-los em dímeros de um átomo, que combinam dois átomos diferentes. O ajuste do sítio ativo de catalisadores de átomo único com dímeros pode melhorar a cinética da reação, graças ao efeito sinérgico entre dois átomos diferentes. No entanto, embora a síntese e identificação da estrutura de dímero de átomo único sejam conhecidas conceitualmente, sua realização prática tem sido muito difícil.

Este problema foi abordado por uma equipe de pesquisa liderada pelo Diretor Associado LEE Hyoyoung do Center for Integrated Nanostructure Physics do Institute for Basic Science (IBS) localizado na Sungkyunkwan University. A equipe de pesquisa do IBS desenvolveu com sucesso uma estrutura de dímero de Ni-Co atomicamente dispersa estabilizada em um suporte de carbono dopado com nitrogênio, que foi denominado NiCo-SAD-NC.

"Sintetizamos a estrutura de dímero de átomo único de Ni-Co em suporte de carbono dopado com nitrogênio (N) via captura in-situ de íons Ni / Co na esfera de polidopamina, seguido por pirólise com coordenação N precisamente controlada. Empregamos o estado de microscopia eletrônica de transmissão de última geração e espectroscopia de absorção de raios-X para identificar com sucesso esses locais NiCo-SAD com precisão atômica ", disse Ashwani Kumar, o primeiro autor do estudo.

O diagrama esquemático do processo de reação de evolução de hidrogênio (HER) usando
NiCo-SAD estabilizado em carbono N-dopado (esquerda). Atividade de HER em meios
alcalinos (canto superior direito) e ácidos (canto inferior direito).
Crédito: Institute for Basic Science

Os pesquisadores descobriram que o recozimento por duas horas a 800 ° C em uma atmosfera de argônio era a melhor condição para a obtenção da estrutura do dímero. Outros dímeros de átomo único, como CoMn e CoFe também podem ser sintetizados usando o mesmo método, o que prova a generalidade de sua estratégia.
 
A equipe de pesquisa avaliou a eficiência catalítica deste novo sistema em termos do superpotencial necessário para conduzir a reação de evolução do hidrogênio. O eletrocatalisador NiCo-SAD-NC teve um nível comparável de sobretensão como catalisadores comerciais à base de Pt em meio ácido e alcalino. NiCo-SAD-NC também exibiu atividade oito vezes maior do que catalisadores de átomo único de Ni / Co e nanopartículas de NiCo heterogêneas em meio alcalino. Ao mesmo tempo, alcançou atividade 17 e 11 vezes maior do que catalisadores de átomo único de Co e Ni, respectivamente, e 13 vezes maior do que nanopartículas de Ni / Co convencionais em meio ácido.

Além disso, os pesquisadores demonstraram a estabilidade a longo prazo do novo catalisador , que foi capaz de conduzir a reação por 50 horas sem qualquer alteração na estrutura. O NiCo-SAD exibiu dissociação de água superior e adsorção de prótons ideal em comparação com outros dímeros de átomo único e sítios de átomo único de Ni / Co, aumentando a atividade do catalisador universal de pH com base na simulação da teoria funcional da densidade.

"Ficamos muito entusiasmados em descobrir que a nova estrutura do NiCo-SAD dissocia as moléculas de água com uma barreira de energia muito menor e acelera a reação de evolução do hidrogênio em meios alcalinos e ácidos com desempenhos comparáveis ​​aos do Pt, que abordou as deficiências do Ni individual e catalisadores de átomo único Co. A síntese dessa estrutura de dímero de átomo único foi um desafio de longa data no campo dos catalisadores de átomo único ", observa o diretor associado Lee, o autor correspondente do estudo.

Ele explica ainda: "Este estudo nos leva um passo mais perto de uma economia de hidrogênio livre de carbono e verde. Este eletrocatalisador de geração de hidrogênio altamente eficiente e barato nos ajudará a superar os desafios de longo prazo da produção de hidrogênio verde com custo competitivo: para produzir hidrogênio puro para aplicações comerciais a um preço baixo e de maneira ecologicamente correta. "

O estudo foi publicado na Nature Communications .

 

.
.

Leia mais a seguir