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Um desenvolvimento adicional na microscopia de força atômica agora torna possível visualizar simultaneamente o perfil de altura de estruturas nanométricas, bem como a corrente elétrica e a força de atrito nas interfaces sólido-líquido. Uma equipe do Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) e do Fritz Haber Institute (FHI) da Max Planck Society conseguiu analisar materiais eletrocataliticamente ativos e obter informações que ajudarão a otimizar os catalisadores. O método também é potencialmente adequado para estudar processos em eletrodos de bateria, em fotocatálise ou em biomateriais ativos.
Para gerenciar a transição energética, também será importante desenvolver rapidamente materiais baratos e eficientes que possam ser usados para separar água ou CO2 por eletrocatálise. Nesse processo, parte da energia elétrica é armazenada nos produtos da reação química. A eficiência de tais eletrocatalisadores depende em grande parte da natureza das interfaces eletrodo-eletrólito, ou seja, as interfaces entre os eletrodos sólidos e o eletrólito tipicamente aquoso. No entanto, estudos físicos espacialmente resolvidos de tais interfaces sólido-líquido ainda são relativamente escassos.
Mais insights com o AFM
Dr. Christopher S. Kley e sua equipe já desenvolveram uma nova abordagem para a microscopia de força atômica correlativa (AFM). Uma ponta extremamente afiada é escaneada em toda a superfície e seu perfil de altura é registrado. Ao conectar a ponta ao final de um cantilever miniaturizado, as interações de força entre a ponta e a superfície da amostra, incluindo forças de atrito, podem ser medidas com alta sensibilidade. Além disso, a corrente elétrica que flui através do contato mecânico pode ser medida, desde que uma tensão seja aplicada. “Isso nos permitiu determinar simultaneamente a condutividade elétrica, o atrito mecânico-químico e as propriedades morfológicas no local (ou seja, nas condições relevantes da fase líquida, em vez de no vácuo ou no ar)”, enfatiza Kley.
Eletrocatalisador cobre-ouro
Usando esse método, os cientistas agora estudaram um eletrocatalisador nanoestruturado e bimetálico de cobre-ouro, em colaboração com a professora Beatriz Roldán Cuenya, do Fritz-Haber-Institute (FHI). Entre outros, tais materiais são utilizados na conversão eletrocatalítica de CO2 em portadores de energia. “Fomos capazes de identificar claramente as ilhas de óxido de cobre com maior resistência elétrica, mas também contornos de grão e regiões de baixa condutividade na camada de hidratação onde a superfície do catalisador entra em contato com o eletrólito aquoso”, diz o Dr. Martin Munz, primeiro autor de o estudo.
Tais resultados nas interfaces catalisador-eletrólito ajudam a otimizá-los de maneira direcionada. “Agora podemos observar como os ambientes eletroquímicos locais influenciam a transferência de carga na interface”, diz Kley.
Foco em interfaces sólido-líquido
“No entanto, nossos resultados também são de interesse geral para a pesquisa de energia, especialmente para o estudo de processos de conversão eletroquímica, que também desempenham um papel em sistemas de bateria.” Insights sobre interfaces sólido-líquido também podem ser úteis em áreas completamente diferentes de pesquisa, como entender processos de corrosão, sistemas de nanossensores e possivelmente abordar questões científicas em fluidos e ciências ambientais, como processos de dissolução ou deposição em superfícies metálicas expostas à água.
Este trabalho foi realizado no âmbito do projeto CatLab, onde pesquisadores do HZB e do FHI do MPG estão trabalhando juntos, para desenvolver catalisadores de película fina para a transição energética.
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