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Nos últimos anos, o gás hidrogênio ganhou força como combustível para um futuro limpo e verde. Esta fonte de combustível neutra em carbono libera grandes quantidades de energia através da combustão na presença de oxigênio com vapor de água como subproduto. Um dos métodos mais populares de produção de hidrogênio é a divisão da água em hidrogênio e oxigênio usando eletricidade.
Uma célula eletroquímica é usada para dividir a água, e o gás hidrogênio é liberado no eletrodo carregado negativamente na reação de evolução do hidrogênio (HER). Os catalisadores são usados para diminuir o sobrepotencial HER – a diferença entre a tensão teórica da célula e a tensão necessária para realizar a evolução do hidrogênio – para tornar o processo mais eficiente. Recentemente, uma liga de ouro (Au) e níquel (Ni) mostrou atividade HER promissora. Embora as propriedades eletroquímicas do AuNi tenham sido bem estudadas, pouco se sabe sobre sua estrutura de superfície e composição atômica, que ditam a atividade eletrocatalítica de um catalisador.
Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Chiba, liderada pelo Professor Associado Masashi Nakamura, da Escola de Pós-Graduação em Engenharia e incluindo o aluno de doutorado Syunnosuke Tanaka, da Escola de Pós-Graduação em Ciências e Engenharia, e o Professor Nagahiro Hoshi, da Escola de Pós-Graduação em Engenharia, uniu o lacuna na compreensão dos eletrocatalisadores AuNi. Em seu recente artigo inovador publicado na ChemElectroChem em 28 de junho de 2023, a equipe investigou a estrutura da superfície, o arranjo atômico e a atividade HER das ligas de superfície AuNi preparadas em diferentes temperaturas de liga em eletrodos de Au de cristal único.
Dr. Nakamura discute a motivação por trás da presente pesquisa. “Metais raros e altamente caros, como a platina, são comumente usados como catalisadores para a eletrólise da água. Embora o Au mostre alta estabilidade química como catalisador em comparação com a platina, ele sofre de baixa atividade de HER. Agora, as nanopartículas de AuNi surgiram como uma alternativa promissora sem platina , e é crucial melhorar ainda mais a atividade HER.”
A equipe transferiu o eletrodo AuNi/Au para uma célula eletroquímica com ácido sulfúrico 0,05 M para realizar medições de voltamograma cíclico (CV) e voltamograma de varredura linear (LSV), avaliando sua atividade de HER. As propriedades de superfície do catalisador AuNi/Au também foram analisadas usando as técnicas de espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) e difração de raios X de superfície (SXRD).
CVs e LSVs revelaram que a atividade HER de AuNi/Au depende da estrutura da superfície do substrato Au, com (110) superfície resultando na maior atividade seguida por (111) e (100), respectivamente. Além disso, a liga de superfície melhorou a atividade de HER por meio da fusão de Ni. Isso foi verificado por XPS e SXRD, onde a equipe observou uma diminuição na ocupação atômica na camada superior da superfície causada pela dissolução de Ni da camada de liga de superfície. O processo de desagregação do Ni criou defeitos na superfície, e os locais Au de baixa coordenação adjacentes ao Ni ativaram o HER.
O presente estudo fornece informações sobre as propriedades estruturais e eletroquímicas da liga de superfície AuNi, abrindo caminho para catalisadores baseados em Au altamente ativos e duráveis para aplicações práticas de eletrólise e células de combustível. “Projetar eletrocatalisadores eficazes sem platina pode reduzir o custo da eletrólise da água e também melhorar sua eficiência de conversão de energia, que é crucial para acelerar em direção a uma sociedade movida a hidrogênio”, conclui o Dr. Nakamura.
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