Os cientistas desenvolveram um novo catalisador revestido de molibdênio que evita uma reação reversa indesejada em certos sistemas químicos que dividem a água em hidrogênio e oxigênio. Crédito:Andy Freeberg / SLAC National Accelerator Laboratory
O hidrogênio é um dos combustíveis limpos mais promissores para uso em automóveis, casas e geradores portáteis. Quando produzido a partir de água usando recursos de energia renovável, também é um combustível sustentável sem pegada de carbono.
Contudo, sistemas de divisão de água requerem um catalisador muito eficiente para acelerar a reação química que divide a água em hidrogênio e oxigênio, ao mesmo tempo em que evita que os gases se recombinem de volta na água. Agora uma equipe de pesquisa internacional, incluindo cientistas do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia, desenvolveu um novo catalisador com um revestimento de molibdênio que evita essa reação problemática e funciona bem em condições operacionais realistas.
Uma parte fundamental do desenvolvimento centrou-se na compreensão de como o revestimento de molibdênio funcionava usando experimentos na Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) da SLAC, um DOE Office of Science User Facility. Os cientistas relataram seus resultados em 13 de abril em Angewandte Chemie .
"Quando você divide a água em hidrogênio e oxigênio, os produtos gasosos da reação são facilmente recombinados de volta à água e é crucial evitar isso, "disse Angel Garcia-Esparza, autor principal e atualmente pesquisador de pós-doutorado pela Ecole Normale Supérieure de Lyon. "Descobrimos que um catalisador revestido de molibdênio é capaz de produzir seletivamente hidrogênio a partir da água, ao mesmo tempo que inibe as reações de formação de água."
Os experimentos demonstraram que sua estratégia de revestimento de molibdênio tem aplicações em dispositivos de eletrocatálise e fotocatálise, acrescentou Garcia-Esparza. São dispositivos que ajudam a impulsionar uma reação usando eletricidade ou luz.
Em busca de estabilidade
Garcia-Esparza ajudou a desenvolver o novo catalisador como estudante de graduação na Universidade King Abdullah de Ciência e Tecnologia (KAUST) na Arábia Saudita sob a direção de Kazuhiro Takanabe, professor associado de ciência química na KAUST. O grupo de pesquisa de Takanabe explorou a estabilidade, desempenho e função de muitos elementos diferentes antes de selecionar o molibdênio como o revestimento para um catalisador à base de platina padrão.
"Encontrar um revestimento que funcionasse bem no eletrólito ácido usado para separar a água foi um grande desafio para meus colaboradores, porque muitos materiais se degradam rapidamente em condições ácidas, "disse o co-autor Dimosthenis Sokaras, um cientista da equipe do SLAC.
Dos revestimentos que testaram, "O molibdênio foi o material de melhor desempenho em meio ácido, onde as condições para a evolução do hidrogênio são favoráveis e fáceis, "Garcia-Esparza explicou.
Testando o Desempenho
Gráfico do desempenho de separação fotocatalítica de água de um catalisador de 0,3% em peso de Pt / SrTiO3 com e sem revestimento de Mo sob irradiação de luz ultravioleta. O catalisador revestido com Mo gerou quantidades crescentes de gás hidrogênio por 24 horas com a luz acesa, e inibiu a reforma da água quando a luz estava apagada. Enquanto que, o catalisador não revestido aumentou a produção de hidrogênio por apenas seis horas com a luz acesa e o nível diminuiu quando a luz estava apagada devido à formação de água. A produção de oxigênio seguiu um padrão semelhante, mas com metade da quantidade de hidrogênio, já que a água tem dois átomos de hidrogênio para cada átomo de oxigênio. Crédito:Angel Garcia-Esparza / KAUST
Outro grande desafio foi encontrar uma maneira de medir as propriedades de seu catalisador revestido de molibdênio, porque esses compostos de molibdênio não são estáveis quando expostos ao ar. "Tirar o catalisador da água perturba a identidade do material, "disse Garcia-Esparza." Portanto, era necessário estudar o eletrocatalisador em condições de trabalho, o que é difícil. "
Assim, Garcia-Esparza passou um verão realizando experimentos eletroquímicos no SSRL para caracterizar o novo catalisador em condições operacionais. "A ideia era trabalhar juntos para ver como o catalisador revestido de molibdênio se comportava e determinar sua estrutura eletrônica quando estava operando, "disse Sokaras." Queríamos entender por que a reação nas costas não acontece. "
Eles testaram um catalisador de platina puro, com e sem revestimento de molibdênio, durante a eletrólise da água no SSRL, usando em operando espectroscopia de absorção de raios-X com uma célula eletroquímica feita sob medida. "No SSRL, fomos essencialmente capazes de fazer eletroquímica enquanto analisamos a amostra com radiação síncrotron, "Garcia-Esparza disse." Os experimentos realizados no SLAC foram a peça final do quebra-cabeça para determinar a estrutura local e o estado do eletrocatalisador nas condições operacionais de produção de hidrogênio. "
"Nossos resultados confirmam que a camada de molibdênio atua como uma membrana para bloquear os gases de oxigênio e hidrogênio de chegar perto da superfície da platina, que evita a formação de água, "Sokaras disse.
Além disso, a equipe de pesquisa explorou aplicações de fotocatálise. Eles construíram um sistema fotocatalítico de separação de água usando um catalisador padrão de platina em óxido de estrôncio e titânio (Pt / SrTiO3) ou o mesmo catalisador revestido com molibdênio. Ambos os sistemas foram testados na KAUST com as luzes acesas e apagadas, ou seja, com e sem uma fonte de energia conduzindo a reação de divisão da água.
Quando a luz estava acesa, o catalisador Pt / SrTiO3 padrão aumentou a produção de hidrogênio por apenas seis horas porque o sistema perdeu eficiência devido à reação de retorno. Quando as luzes foram desligadas, a quantidade de hidrogênio diminuiu com o tempo - verificando se quantidades significativas de gases estavam se recombinando para formar água.
Em contraste, o catalisador revestido de molibdênio divide continuamente a água para gerar quantidades crescentes de gás hidrogênio por 24 horas, produzindo cerca de duas vezes mais gás hidrogênio do que o catalisador padrão em um dia. Além disso, a quantidade de hidrogênio permaneceu estável no escuro, confirmando que o revestimento inibiu a formação de água
Esses resultados são promissores, mas mais trabalho ainda precisa ser feito antes que o catalisador possa ser usado em um dispositivo prático. Sokaras disse, "Acho que estamos longe de realmente falar sobre um dispositivo comercial, mas é certamente uma grande melhoria ter este novo material catalisador que evita a reação de retorno. Agora precisamos encontrar uma maneira de tornar o revestimento mais estável para que produza hidrogênio por ainda mais tempo. "
