O diagrama esquemático para o processo UOR usando RhSA de alta carga estabilizado na superfície de óxido deformada (esquerda). Sistema completo de eletrólise de ureia para evolução de hidrogênio verde (meio). Eletrólise de ureia que economiza energia em comparação com a eletrólise de água (direita). Crédito:Institute for Basic Science
Embora o hidrogênio seja amplamente sugerido como um combustível alternativo com emissão zero de carbono, a maior parte da produção comercial de hidrogênio combustível é obtida a partir do refino de combustíveis fósseis. O reservatório limitado de combustíveis fósseis e seu impacto negativo sobre o meio ambiente encorajou os pesquisadores a desenvolver tecnologias alternativas para produzir combustível de hidrogênio por meio de um processo ecologicamente correto. Esse "hidrogênio verde" pode ser produzido a partir da eletrólise da água, que é abundante na natureza, utilizando eletricidade derivada de uma fonte de energia renovável. Contudo, a eficiência da eletrólise da água é significativamente limitada devido à lenta reação de evolução de oxigênio (OER), que requer uma alta tensão termodinâmica de 1,23 V.
Para economizar energia para geração de hidrogênio, substituir a lenta eletrólise da água pela reação de oxidação da ureia (UOR) oferece uma grande promessa, devido a termodinamicamente favorável (0,37 V, tensão termodinâmica) condições de eletrólise da ureia. Há uma vantagem adicional de mitigar a questão da contaminação da ureia, onde cerca de 2, 200 bilhões de toneladas de águas residuais ricas em ureia são despejadas no rio todos os anos. Catalisadores baseados em metais nobres, como platina (Pt) e ródio (Rh), são usados para aumentar a taxa do processo de oxidação. Contudo, esses catalisadores de metal nobre são muito caros e apresentam baixo desempenho em operação de longo prazo.
Recentemente, catalisadores de átomo único (SACs) têm mostrado desempenhos excepcionais em comparação com contrapartes baseadas em nanomateriais. Contudo, o baixo carregamento de metal ( <3% em peso) de SACs, que é causado pela tendência dos átomos da superfície em migrar, representa um sério desafio para um aplicativo escalonável.
Liderado pelo Diretor Associado LEE Hyoyoung do Center for Integrated Nanostructure Physics do Institute for Basic Science (IBS) localizado na Sungkyunkwan University, a equipe de pesquisa do IBS desenvolveu uma estratégia para atingir um carregamento ultra-alto de sítios de átomo de metal único. Isso foi conseguido através da introdução de tensão superficial no material de suporte, que permitiu a geração de combustível hidrogênio auxiliada pela oxidação da ureia excepcional.
"Usamos o método de têmpera de nitrogênio líquido para gerar tensão de tração na superfície do óxido de cobalto (Co 3 O 4 ) A taxa de resfriamento ultra-alta expande o parâmetro de rede da amostra extinta por causa da expansão térmica, causando tensão de tração na superfície do óxido. A superfície tensionada de Co 3 O 4 estabilizou ~ 200% mais carga de átomo único de ródio (Rh SA ; 6,6% em peso de carregamento a granel e 11,6% em peso de carregamento superficial) locais em comparação com o Co imaculado 3 O 4 superfície. Descobrimos que a superfície tensionada pode aumentar significativamente a barreira de migração de energia de Rh SA em comparação com a superfície imaculada, inibindo sua migração e aglomeração, "diz o candidato ao doutorado, Ashwani Kumar, o primeiro autor do estudo.
“Ficamos muito entusiasmados em descobrir que a alta carga de Rh SA estabilizado no Co tenso 3 O 4 superfície demonstrou atividade UOR excepcional e estabilidade em meios alcalinos e ácidos, que era muito superior ao comercial Pt / C e Rh / C. Esta estratégia de deformação de superfície no campo dos SACs nunca foi relatada até nossos resultados, "observa o Diretor Associado Lee, o autor correspondente do estudo. Os pesquisadores também descobriram que essa estratégia para a alta carga de sítios de átomo único não se limitava apenas ao ródio. Carga ultra-alta de outros metais nobres, como platina, irídio, e sítios de átomo único à base de rutênio também foram estabilizados usando a estratégia de superfície tensionada, que fornece base para uma aplicação mais geral desta descoberta.
A equipe de pesquisa avaliou a eficiência catalítica e a voltagem de trabalho necessária para a oxidação da ureia usando este novo catalisador. O catalisador avançado (Rh SA em Co tenso 3 O 4 ) exigiu apenas 1,28 V vs. eletrodo de hidrogênio reversível (RHE) para atingir uma densidade de corrente de 10 mA (miliampère) por cm2 do eletrodo, que foi menor do que os requisitos dos catalisadores comerciais de Pt e Rh de 1,34 e 1,45 V, respectivamente. Além disso, o catalisador também mostrou estabilidade de longo prazo por 100 horas sem qualquer mudança de estrutura. O grupo usou simulação de teoria funcional de densidade para explorar a origem do desempenho extraordinário do novo catalisador, que se revelou ser devido à adsorção de ureia e estabilização superiores de intermediários CO * / NH *. Além disso, a eletrólise da ureia economizou cerca de 16,1% a mais de energia em comparação com a eletrólise da água para geração de hidrogênio.
O Diretor Associado Lee explica, "Este estudo fornece uma estratégia geral para estabilizar a alta carga de sites de átomo único para aplicações escaláveis, que era um problema antigo no campo dos SACs. Além disso, este estudo nos leva um passo mais perto de uma economia de hidrogênio livre de carbono e com economia de energia. Este eletrocatalisador de oxidação de ureia altamente eficiente nos ajudará a superar os desafios de longo prazo do processo de refino de combustível fóssil:produzir hidrogênio de alta pureza para aplicações comerciais a um preço baixo e de maneira ecologicamente correta. "
O estudo foi publicado em 30 de setembro em Energia e Ciência Ambiental .
