MXenes controlados atomicamente permitem produção de hidrogênio verde com boa relação custo-benefício

Um total de 137 países ao redor do mundo assinaram um acordo de mudança climática “líquido zero” para acabar com o uso de combustíveis fósseis e atingir zero emissões de carbono até 2050. O hidrogênio está sendo apontado como a próxima fonte de energia verde porque emite apenas água e oxigênio quando utilizado como fonte de energia.

Os métodos de produção de hidrogênio são divididos em hidrogênio cinza, hidrogênio azul e hidrogênio verde, dependendo da fonte de energia e das emissões de carbono. Entre eles, o método de produção de hidrogênio verde é o método mais ecológico que produz hidrogênio sem emissões de carbono por meio da eletrólise da água usando energia verde.

Uma equipe de pesquisa liderada pelo Dr. Albert Sung Soo Lee do Centro de Pesquisa de Convergência para Soluções para Interferência Eletromagnética em Mobilidade Futura e Centro de Pesquisa em Arquitetura de Materiais do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia (KIST), em colaboração com o grupo do Professor Chong Min Koo na Universidade Sungkyunkwan, desenvolveu um MXene à base de molibdênio oxidativamente estável como suporte eletrocatalisador em eletrolisadores de água com membrana de troca aniônica.

O estudo foi publicado na revista Catálise Aplicada B: Meio Ambiente e Energia.

Como é estável contra condições oxidativas de alta voltagem, se for aplicado como um transportador para catalisadores de eletrólise, ele pode ser usado como um material de eletrodo de reação de evolução de oxigênio para produção de hidrogênio verde para reduzir o custo da produção de hidrogênio verde.

A quebra da água em moléculas de hidrogênio e oxigênio requer uma grande quantidade de energia. Para reduzir essa energia inicial de reação, um catalisador é usado, e quanto menor o tamanho do catalisador, que é feito de pequenas partículas em nanoescala, maior a área de superfície, o que permite que a reação ocorra.

No entanto, com o tempo, pequenas partículas de catalisador podem se aglomerar, reduzindo a área de superfície e reduzindo a eficiência da produção de hidrogênio. Para evitar isso, catalisadores e suportes são usados ​​juntos, e o carbono é usado principalmente para o cátodo, onde o hidrogênio é produzido, mas quando o carbono é usado em uma reação de oxidação no ânodo, ele é oxidado em dióxido de carbono. Assim, um suporte com alta resistência à oxidação é necessário.

Um material que pode ser usado como suporte é o MXene. MXenes são nanomateriais compostos de átomos de metal (Ti, Mo, Hf, Ta, etc.) e átomos de carbono ou nitrogênio, que apresentam propriedades eletricamente condutoras e têm uma nanoestrutura 2D adequada para suporte de catalisador, tornando-os favoráveis ​​à produção de hidrogênio.

MXenes à base de titânio foram os mais amplamente estudados devido à sua alta condutividade elétrica. No entanto, a natureza atômica do titânio, que é facilmente oxidado em água, levou à desvantagem inerente de que o catalisador não pode manter alta condutividade elétrica. Para superar isso, a equipe projetou um novo catalisador de ânodo que usa MXene à base de carboneto de molibdênio como suporte.

Quando o MXene à base de molibdênio é utilizado como suporte, fortes ligações químicas são criadas entre os átomos de molibdênio na superfície do MXene e o material ativo cobalto.

As ligações químicas resultantes aumentaram a eficiência da produção de hidrogênio em cerca de 2,45 vezes. Em particular, a durabilidade da célula unitária foi melhorada em mais de 10 vezes em comparação com os resultados de um MXene recente à base de titânio, que durou menos de 40 horas.

Espera-se que isso reduza o custo da produção de hidrogênio verde e será aplicado a plantas de produção de hidrogênio em larga escala e a grandes usinas de energia de hidrogênio verde no futuro.

“Ao controlar os elementos que compõem o MXene, conseguimos encontrar candidatos adequados para ambientes de produção de hidrogênio verde e, por meio disso, garantimos um suporte estável para o MXene em um ambiente oxidante”, disse o Dr. Albert Sung Soo Lee, do KIST.

“No futuro, contribuiremos para a revitalização da economia baseada em hidrogênio desenvolvendo catalisadores de eletrodos geradores de oxigênio com eficiência catalítica e durabilidade.”