Os catalisadores de nanopartículas desenvolvidos por pesquisadores do A * STAR podem ajudar a dividir a água para produzir hidrogênio, um combustível de queima limpa que fornece uma maneira conveniente de armazenar energia renovável.

A platina é atualmente o material de eletrodo catalítico mais eficiente para gerar hidrogênio desta forma, mas o metal precioso é escasso e caro. Yee-Fun Lim e colegas do Instituto A * STAR de Pesquisa e Engenharia de Materiais desenvolveram nanopartículas de eletrocatalisadores que são altamente ativas, barato e estável, e que realizam a reação de evolução do hidrogênio, bem como quaisquer alternativas à platina já descobertas.

A equipe usou espuma de níquel porosa como base para seu eletrodo, porque fornece uma área de superfície muito grande para suportar nanopartículas catalíticas ativas. Em seguida, eles revestiram a espuma com um composto de cobalto-tioureia, e aquecido para quebrar a tiouréia, que liberou enxofre. Esse enxofre reagiu com os metais para formar nanopartículas de sulfeto de cobalto e sulfeto de níquel. Os pesquisadores estudaram a estrutura e composição das nanopartículas usando uma variedade de técnicas, incluindo difração de raios-X e microscopia eletrônica de varredura.

Durante a reação, a eletricidade ajuda os átomos de metal na superfície dessas nanopartículas a extrair um átomo de hidrogênio de uma molécula de água. O átomo de hidrogênio então se combina com outro átomo de hidrogênio - seja na superfície da nanopartícula, ou de outra molécula de água - para produzir gás hidrogênio (H2). Crucialmente, as nanopartículas de sulfeto de metal operam bem sob as condições alcalinas normalmente necessárias para a reação paralela que gera oxigênio durante a divisão da água.

A equipe de Lim mostrou que variar a temperatura e a duração da etapa de aquecimento usada para preparar as nanopartículas teve um efeito dramático em sua composição e proporções relativas, e os testes mostraram que isso determinou sua atividade na reação de evolução do hidrogênio. O aquecimento prolongado fez com que algumas das nanopartículas se aglomerassem, por exemplo, e também aumentou a proporção de sulfeto de cobalto, que reduziu significativamente a atividade do catalisador.

O melhor desempenho veio do sulfeto de metal misto que foi aquecido a 500 graus Celsius por apenas 10 minutos (veja a imagem). Foi necessária uma voltagem relativamente baixa de 163 milivolts para iniciar a reação de evolução de hidrogênio, apenas 47 milivolts maior do que um eletrocatalisador comercial de platina, e comparável às melhores alternativas. O catalisador não apresentou degradação ao longo de três dias de reações contínuas.

"O catalisador misturado combina as boas propriedades dos catalisadores de níquel e cobalto para alcançar um desempenho superior, "diz Lim. Sua equipe planeja usar uma abordagem semelhante para fazer nanopartículas catalíticas sob medida para uma reação diferente que transforma dióxido de carbono em combustíveis.