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A energia limpa de hidrogênio é uma boa alternativa aos combustíveis fósseis e é fundamental para alcançar a neutralidade de carbono. Pesquisadores de todo o mundo estão procurando maneiras de aumentar a eficiência e reduzir o custo da produção de hidrogênio, principalmente melhorando os catalisadores envolvidos. Recentemente, uma equipe de pesquisa da Universidade da Cidade de Hong Kong (CityU) desenvolveu um novo eletrocatalisador ultraestável de reação de evolução de hidrogênio (HER), que é baseado em nanofolhas de gel mineral bidimensionais e não contém metais preciosos. O catalisador pode ser produzido em larga escala e pode ajudar a reduzir o preço do hidrogênio no futuro.
A reação eletroquímica de evolução do hidrogênio (HER) é um método de geração de hidrogênio amplamente utilizado. Mas os eletrocatalisadores HER comerciais são feitos de metais preciosos, que são caros. Por outro lado, os catalisadores de átomo único têm potencial promissor em aplicações de HER catalítico devido à sua alta atividade, eficiência atômica maximizada e uso de catalisador minimizado. Mas o processo de fabricação convencional de catalisadores de átomo único é complicado. Geralmente envolve a introdução do metal de átomo único alvo no precursor do substrato, seguido de tratamento térmico, geralmente superior a 700 ℃, o que requer muita energia e tempo.
A esse respeito, uma equipe de pesquisa liderada por cientistas de materiais da CityU desenvolveu uma maneira inovadora, econômica e energeticamente eficiente de produzir um eletrocatalisador de átomo único HER altamente eficiente que usa nanofolhas de hidrogel mineral sem metais preciosos como precursor .
“Em comparação com outros precursores comuns de substrato de átomo único, como estruturas porosas e carbono, descobrimos que os hidrogéis minerais têm grandes vantagens para a produção em massa de eletrocatalisadores devido à fácil disponibilidade das matérias-primas, procedimento sintético simples e ecológico e condições de reação suaves”, disse o professor Lu Jian, professor titular do Departamento de Engenharia Mecânica (MNE) e do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (MSE) da CityU, que liderou a pesquisa.
Seu precursor eletrocatalisador é preparado usando um método simples. Primeiro, soluções de ácido polioxometalato (PMo) e íons férricos (Fe3+) são misturados à temperatura ambiente, resultando em novas nanofolhas bidimensionais de ferro-ácido fosfomolibdico. Depois que o excesso de água é removido por centrifugação, as nanofolhas tornam-se hidrogel mineral livre de quaisquer moléculas orgânicas. O processo é muito mais conveniente e econômico do que os processos relatados anteriormente que normalmente requerem alta temperatura e pressão e mais tempo para a automontagem de precursores de substrato de átomo único.
Após um tratamento adicional de fosfatação (a 500 ℃) deste precursor de gel mineral, um catalisador de nanofolha heterogêneo disperso de átomo de ferro único (“Fe/SAs@Mo-based-HNSs”) é formado, evitando o processo de fabricação demorado de carregamento de átomos individuais no substrato.
Os experimentos descobriram que o novo catalisador exibe excelente atividade eletrocatalítica e longa durabilidade no HER, manifestando um sobrepotencial de apenas 38,5 mV a 10 mA cm−2e ultra estabilidade sem deterioração do desempenho por mais de 600 horas em uma densidade de corrente de até 200 mA cm−2.
“Este é um dos melhores desempenhos alcançados pelos eletrocatalisadores HER de metais não nobres”, disse o professor Lu. “A ideia única de usar gel mineral para sintetizar catalisadores heterogêneos dispersos monoatômicos fornece uma importante base teórica e direção para a próxima etapa da produção escalonável de catalisadores baratos e eficientes, que podem ajudar a reduzir o custo da produção de hidrogênio a longo prazo. “
Suas descobertas foram publicadas na revista científica Natureza Comunicações sob o título “Heteroestruturas bidimensionais de hidrogel mineral derivadas de átomos únicos ancoradas para evolução de hidrogênio ultraestável”.
O primeiro autor do papel é o Dr. Lyu Fucong de CityU. Os autores correspondentes são Professor Lu, Dr. Li Yangyang, Professor Associado em MSE, e Dr. Sun Ligang, Professor Assistente na Escola de Ciências do Harbin Institute of Technology.
A pesquisa foi apoiada pelo Shenzhen-Hong Kong Science and Technology Innovation Cooperation Zone Shenzhen Park Project, National Key R&D Program of China, National Natural Science Foundation of China, Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation, Science, Technology and Comissão de Inovação do Município de Shenzhen e a Comissão de Inovação e Tecnologia de Hong Kong através da Filial de Hong Kong do Centro Nacional de Pesquisa de Engenharia de Materiais de Metais Preciosos na CityU.
Para enfrentar o problema de alto custo dos eletrocatalisadores comerciais à base de platina, a equipe liderada pelo professor Lu fez outro avanço recentemente. Eles forneceram uma solução através do design racional de liga nanoestruturada para desenvolver um eletrocatalisador de baixo custo e alto desempenho.
A equipe do professor Lu vem realizando uma pesquisa aprofundada sobre nanoestruturas de ligas que possuem fases cristalinas e amorfas simultaneamente. Eles descobriram que a inomogeneidade química local, a ordem de curto alcance e a severa distorção da rede na fase nanocristalina são desejáveis para aplicação em catálise, enquanto a fase amorfa pode oferecer abundantes sítios ativos com menor barreira de energia para a reação de evolução do hidrogênio. Portanto, eles dedicaram seus esforços de pesquisa para projetar e construir ligas bifásicas para serem excelentes eletrocatalisadores para a produção de hidrogênio.
Eles propuseram uma nova estratégia de design de liga e nanoestrutura baseada na termodinâmica. Primeiro, eles previram a faixa de composição da formação de fase dupla “cristal-amorfo” de acordo com a capacidade de formação amorfa (GFA). Em seguida, usando o método fácil de co-sputtering com magnetron, eles prepararam com sucesso o catalisador de liga à base de alumínio com uma nanoestrutura bifásica “cristalina-amorfa”.
Graças a essa nanoestrutura, o novo catalisador apresentou melhor desempenho eletrocatalítico em solução alcalina do que o eletrocatalisador comercial à base de platina, com sobrepotencial de apenas 28,8 mV a 10 mA cm-2.
“Neste novo catalisador de liga à base de alumínio, usamos rutênio, que é mais barato que a platina, como o componente de metal nobre. Portanto, pode ser menos caro do que os eletrocatalisadores comerciais à base de platina”, disse o professor Lu. “Além da evolução do hidrogênio, o mecanismo de eletrocatálise de nano-fase dupla pode ser aplicado a outros sistemas catalíticos. O design da nanoestrutura de ‘cristal-vidro’ oferece uma nova abordagem para desenvolver catalisadores de última geração.”
As descobertas foram publicadas em Avanços da ciência, sob o título “Um eletrocatalisador à base de alumínio nanoestruturado em cristal de vidro para reação de evolução de hidrogênio”. O Dr. Liu Sida, ex-bolsista de pós-doutorado (atualmente professor da Universidade de Shandong), e o Sr. Li Hongkun, aluno de doutorado do MSE, são os co-primeiros autores. Os autores correspondentes são o professor Lu e o Dr. Li, da CityU, e o professor Wu Ge, da Universidade de Xi’an Jiaotong. Outros pesquisadores da CityU incluem o Dr. Zhou Binbin, um ex-pós-doutorado no MNE (atualmente Professor Associado de Pesquisa do Instituto Nacional de Inovação de Materiais Eletrônicos Avançados de Shenzhen), o Sr. Zhong Jing e a Srta. Doutorando.
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