Os químicos da National University of Singapore desenvolveram um método para confinar nanopartículas de metais nobres em camadas, materiais quase bidimensionais (2-D) para uma produção eficiente de hidrogênio.

O hidrogênio é um combustível limpo que pode ser queimado em uma célula a combustível para produzir energia com impacto mínimo ao meio ambiente. Um método para produzir hidrogênio é usando eletricidade para derramar moléculas de água, na presença de um catalisador. Os pesquisadores da NUS desenvolveram uma maneira de criar catalisadores estáveis ​​e seletivos que podem ser usados ​​para a produção eficiente de hidrogênio. Seu método encapsula nanopartículas de metais nobres em materiais quase 2-D por um método simples de redução in situ. É como colocar os ingredientes entre pedaços de pão em um sanduíche. Este novo método é uma maneira mais fácil de produzir essa estrutura, evitando o tedioso processo de esfoliação das nanofolhas 2-D. O espaço confinado dentro das camadas quase 2-D fornece um ambiente bem controlado para que a catálise ocorra. Também evita que poluentes maiores ou moléculas neutras afetem o processo catalítico. Em seus testes, os catalisadores mostram excelente atividade e estabilidade de longo prazo quando são usados ​​para a produção de hidrogênio.

Reações confinadas de interface, que pode modular a ligação de reagentes com centros catalíticos e influenciar a taxa de transporte de massa da solução a granel, surgiram como uma estratégia viável para alcançar catálise altamente estável e seletiva. Contudo, o confinamento de nanopartículas em 2-D, materiais em camadas são um desafio devido à forte força de van der Waals entre nanofolhas adjacentes. Métodos convencionais baseados na difusão de precursores de íons pela força capilar não são viáveis ​​para atingir esse objetivo.

Prof LOH Kian Ping, junto com seu Ph.D. alunos CHEN Zhongxin, LENG Kai, ZHAO Xiaoxu, do Departamento de Química, NUS, empregou uma estratégia engenhosa baseada na redução in-situ de precursores de íons para introduzir nanopartículas em espaços internos do material hospedeiro. O crescimento de nanopartículas dentro de um espaço confinado resulta em um tamanho de partícula menor com desempenho catalítico aprimorado. Este avanço da pesquisa é alcançado em colaboração com a eletroquímica, Prof YEO Boon Siang do Departamento de Química, NUS. O Prof Yeo investigou a cinética de difusão anisotrópica dos reagentes para explicar a excelente estabilidade de longo prazo desses catalisadores.

Ao contrário de outros trabalhos de pesquisa sobre catalisadores 2-D, este trabalho não envolve a esfoliação de nanofolhas 2-D, que é um processo complicado. Em vez de, os pesquisadores tiraram vantagem de altamente redutor, materiais hospedeiros litiados (LixMoS2) para reagir com precursores de íons. Isso fornece uma forte força motriz para superar as interações de van der Waals e transforma os materiais quase-2-D em um único, MoS2 | metais nobres | Estrutura em sanduíche MoS2 (Figura 1). Os pesquisadores demonstraram ainda a escalabilidade industrial fabricando e testando uma membrana separadora de água carregada com catalisador de 25 cm2. Isso é sem precedentes na pesquisa 2-D atual, que são frequentemente limitados pelo tamanho dos flocos esfoliados e dificuldade em revestir por rotação um filme contínuo. A interação sinérgica hospedeiro-convidado permite ultra-estáveis, operação de longo prazo do catalisador para a produção de hidrogênio. Ele também tem uma carga de metal reduzida em comparação com o catalisador disponível comercialmente. Este novo conceito de confinamento usando materiais 2-D pode ser potencialmente aplicado a muitas outras reações catalíticas envolvendo aplicações relacionadas à energia.