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Um grupo de pesquisadores desvendou os mistérios por trás de um material recentemente identificado – nitreto de zircônio (ZrN) – que ajuda a alimentar reações de energia limpa. A estrutura proposta ajudará projetos futuros para nitretos de metais de transição, abrindo caminho para a geração de energia mais limpa.
O estudo foi publicado na revista Ciência Química em 26 de julho de 2023, onde apareceu como artigo de capa.
Células a combustível de membrana de troca aniônica (AEMFC) são dispositivos que usam hidrogênio e oxigênio para produzir eletricidade limpa por meio de reações químicas, especificamente a reação de oxidação de hidrogênio e a reação de redução de oxigênio (ORR). Os AEMFCs, com a sua capacidade de operar em condições alcalinas, proporcionam um ambiente adequado para catalisadores à base de terra, oferecendo uma alternativa mais barata a outros materiais catalisadores eficientes, como a platina.
Estudos recentes mostraram que o ZrN apresenta desempenho eficiente – até mesmo superando a platina – quando usado para ORR em meios alcalinos. O ZrN, embora não seja um material abundante em terra, ainda é mais econômico do que as alternativas. Mas o que está por trás do seu desempenho impressionante permanece um mistério para os cientistas.
“Para implementar nossa nova estrutura teórica para ZrN, decidimos empregar análise do estado de superfície, simulações de efeito de campo elétrico e modelagem microcinética dependente de pH, “explica Hao Li, professor associado do Instituto Avançado de Pesquisa de Materiais da Universidade de Tohoku (WPI-AIMR) e autor correspondente do artigo.”
A análise de superfície revelou que o ZrN possui uma camada muito fina de H O quando está passando por ORR. Esta fina camada ajuda as moléculas a aderirem a ela de uma forma benéfica para a ORR. Além disso, as simulações do efeito do campo eléctrico demonstram que o oxigénio atómico que adere a esta superfície de cobertura fina sofre alterações mínimas, aderindo assim moderadamente.
Depois de realizar simulações computacionais, os pesquisadores descobriram que o ZrN atinge o ponto ideal de ORR em condições alcalinas.
“Nossa teoria testada funciona bem não apenas para o ZrN, mas também para outros materiais como Fe3N, TiN e HfN, que são semelhantes ao ZrN, o que significa que nossa ideia explica como esses materiais também podem ser utilizados para energia limpa”, acrescenta Hao. “Nossa estrutura ajudará a racionalizar e projetar nitretos de metais de transição para ORR alcalino.”
No futuro, Hao e sua equipe planejam estender esta estrutura para estudar outras reações industrialmente significativas, como a reação de evolução do oxigênio.
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