Um catalisador desenvolvido pela Rice University e pela University of Houston divide a água em hidrogênio e oxigênio sem a necessidade de metais caros como a platina. Esta imagem de microscópio eletrônico mostra espuma de níquel revestida com grafeno e, em seguida, a superfície catalítica de ferro, manganês e fósforo. Crédito:Desmond Schipper / Rice University
A divisão da água em hidrogênio e oxigênio para produzir energia limpa pode ser simplificada com um único catalisador desenvolvido por cientistas da Rice University e da University of Houston.
O filme eletrolítico produzido na Rice e testado em Houston é uma estrutura de três camadas de níquel, grafeno e um composto de ferro, manganês e fósforo. O níquel espumoso dá ao filme uma grande superfície, o grafeno condutor protege o níquel da degradação e o fosforeto metálico realiza a reação.
O material robusto é o assunto de um artigo em Nano Energia .
O químico de arroz Kenton Whitmire e o engenheiro elétrico e de computação de Houston Jiming Bao e seus laboratórios desenvolveram o filme para superar as barreiras que geralmente tornam um catalisador bom para a produção de oxigênio ou hidrogênio. mas não ambos simultaneamente.
"Metais regulares às vezes oxidam durante a catálise, "Whitmire disse." Normalmente, uma reação de evolução de hidrogênio é feita em ácido e uma reação de evolução de oxigênio é feita em base. Temos um material que é estável, seja em uma solução ácida ou básica. "
A descoberta baseia-se na criação dos pesquisadores de um catalisador de evolução de oxigênio simples revelado no início deste ano. Nesse trabalho, a equipe desenvolveu um catalisador diretamente em uma matriz de nanorods semicondutores que transformou a luz do sol em energia para a divisão da água solar.
A eletrocatálise requer dois catalisadores, um cátodo e um ânodo. Quando colocado na água e carregado, hidrogênio se formará em um eletrodo e oxigênio no outro, e esses gases são capturados. Mas o processo geralmente requer metais caros para operar de forma tão eficiente quanto o catalisador da equipe do Rice.
Um filme de espuma de níquel de alta área superficial revestida com grafeno e um composto de ferro, o manganês e o fósforo atuam como um catalisador de separação da água que pode produzir hidrogênio e oxigênio simultaneamente. O material foi criado na Rice University e testado na University of Houston. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
"O padrão para a evolução do hidrogênio é a platina, "Whitmire disse." Estamos usando materiais abundantes na Terra - ferro, manganês e fósforo - em oposição a metais nobres que são muito mais caros. "
O novo catalisador também requer menos energia, Whitmire disse. "Se você quiser fazer hidrogênio e oxigênio, você tem que colocar energia, e quanto mais você coloca, quanto menos viável comercialmente for, "ele disse." Você quer fazer isso com a quantidade mínima de energia possível. Esse é um benefício do nosso material:o superpotencial (a quantidade de energia necessária para acionar a eletrocatálise) é pequeno, e bastante competitivo com outros materiais. Quanto mais baixo você conseguir, quanto mais perto você chegar de torná-lo o mais eficiente possível para a divisão da água. "
Grafeno, a forma de carbono com a espessura de um átomo, é a chave para proteger o níquel subjacente. Uma a três camadas de grafeno são formadas na espuma de níquel em um forno de deposição de vapor químico (CVD), e o ferro, manganês e fósforo são adicionados em cima disso, também via CVD e de um único precursor.
Os testes do laboratório de Bao compararam a espuma de níquel e o fosforeto com e sem grafeno no meio e descobriram que o grafeno condutor reduziu a resistência de transferência de carga para as reações de hidrogênio e oxigênio.
"O níquel é um dos melhores catalisadores para fazer grafeno, "disse o co-autor Desmond Schipper, um estudante de pós-graduação da Rice. "Essencialmente, estamos usando o níquel para ajudar a melhorar o níquel. ”Ele disse que o manganês também adiciona um nível de proteção.
Whitmire disse que o material é escalável e deve encontrar uso em indústrias que produzem hidrogênio e oxigênio ou em instalações movidas a energia solar e eólica que podem usar eletrocatálise para armazenar energia fora de pico.
Também pode ser adaptado para produzir outros materiais avançados. "Nosso método pode ser amplamente aplicável a um grande número de materiais de fosfeto de metal para catalisadores - não apenas para divisão de água, mas para uma série de coisas, " ele disse.
"Um fator crítico é que somos capazes de fazer materiais de fase pura com composições diferentes. Atualmente, as pessoas têm muito pouco controle sobre a fase que atingem na superfície, e em muitos casos eles se misturam. Quando isso acontecer, eles não sabem qual fase é realmente responsável pela catálise. Com nosso processo, eles podem saber. "
