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(a) A rota esquemática para a síntese de P-Gd SAs@MnO2 nanofolhas; (b, c) Padrões de XRD de P-Gd SAs@MnO2 e MnO2; (d) Espectro EPR de P-Gd SAs@MnO2MnO2e CC em branco. Crédito: Hao Li et al.
Um grupo internacional de pesquisadores desenvolveu uma nova abordagem que aumenta a eficiência da reação de evolução de oxigênio (OER), um processo-chave em tecnologias de energia renovável. Ao introduzir átomos únicos de terras raras em óxido de manganês (MnO2), o grupo modulou com sucesso os estados eletrônicos do oxigênio, levando a melhorias sem precedentes no desempenho do REA.
As suas descobertas foram publicadas na revista Nano Energia.
Óxidos baseados em metais de transição têm sido amplamente explorados por seu potencial como catalisadores OER ativos. No entanto, a capacidade desses catalisadores é dificultada pelo mecanismo de evolução do adsorbato, que limita a liberação efetiva de oxigênio (O2) durante a reação.
“Construímos unidades assimétricas localizadas de gadolínio-oxigênio-manganês em MnO2o que ajuda a acumular elétrons em locais de oxigênio”, observa Hao Li, autor correspondente do artigo e professor associado do Instituto Avançado de Pesquisa de Materiais (WPI-AIMR) da Universidade de Tohoku.
“Ao fazer isso, os catalisadores atingem um menor sobrepotencial e mantêm a estabilidade ao longo do tempo, tornando-se uma alternativa adequada aos catalisadores tradicionais, como o dióxido de rutênio (RuO2).”
Hao Li e seus colegas empregaram uma estratégia assistida por plasma de argônio para introduzir elementos de terras raras na superfície do catalisador. Nessa estratégia, o gás argônio é ionizado, energizando e ajudando a quebrar os átomos de argônio em íons e elétrons, facilitando assim a interação e a modificação de materiais.
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Diagramas PDOS de (a) modelo de placa de MnO₂ e (b) modelo de placa de Gd-MnO₂ com [Gd−O−Mn] unidade local. (c)-(d) Diagramas VBM e CBM de Gd-MnO₂ com população orbital Kohn-Sham (iso-superfície 0,002 e/ų). (e) Gráficos MLWF projetados de locais O₂c e Mn₅c em [Gd−O−Mn] unidade (iso-superfície 1,5 e/ų). (f) Mecanismo de formação de dímero (OO) para catálise OER, mostrando gráficos ELF para MnO₂ em massa, modelo de MnO₂ em placa e modelo de placa Gd-MnO₂ (iso-superfície 0,7 e/ų). Esferas rosa, verde, vermelha e branca denotam Mn, Gd, O e H, respectivamente. Crédito: Hao Li et al.
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Diagramas de Pourbaix de superfície: (a) Cobertura de H para fatia de MnO₂ com cadeia Mn₆c-O₃c, (b) cobertura de espécies de oxigênio para laje de MnO₂ com sítios Mn₅c e O₂c. (c) Diagrama de Pourbaix de superfície 2D mostrando URHE vs. pH. (d) Estruturas geométricas de MnO₂ e Gd-MnO₂ com vários intermediários de oxigênio. (e) Diagramas de energia livre OER para MnO₂ e Gd-MnO₂ a 1,23 V. As esferas rosa, verde, vermelha e branca denotam Mn, Gd, O e H, respectivamente. Crédito: Hao Li et al.
“Abordamos os desafios associados ao mecanismo de evolução do adsorbato que limita o desempenho de óxidos baseados em metais de transição, como o MnO2“, acrescenta Di Zhang, coautor do estudo e professor assistente especialmente nomeado no WPI-AIMR.
“Ao melhorar a compreensão da relação estrutura-atividade sob o mecanismo de oxigênio da rede, a pesquisa fornece uma base para um projeto de catalisador mais eficaz.”
Com base no sucesso deste estudo, o grupo planeja estender sua metodologia para uma variedade de reações eletroquímicas. Esta abordagem ajudará a decifrar ainda mais as correlações estrutura-atividade únicas, contribuindo, em última análise, para o design de eletrocatalisadores ainda mais eficazes e de alto desempenho.
Mais informações:
Meng Li et al, Terras raras atômicas ativam acoplamento OO direto em óxido de manganês em direção à evolução eletrocatalítica de oxigênio, Nano Energia (2024). DOI: 10.1016/j.nanoen.2024.109868
Fornecido pela Universidade de Tohoku
Citação: Átomos únicos de terras raras aumentam a evolução eletroquímica do oxigênio do óxido de manganês (28 de agosto de 2024) recuperado em 28 de agosto de 2024 de https://phys.org/news/2024-08-rare-earth-atoms-manganese-oxide.html
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