Um eletrocatalisador criado na Rice University provou ser tão eficaz quanto a platina para a produção de hidrogênio. O processo cria bolhas de hidrogênio entre os planos do material em camadas, que quebra as camadas e torna os locais catalíticos mais acessíveis. Crédito:Yuanyue Liu / Rice University
Cientistas da Rice University e do Lawrence Livermore National Laboratory previram e criaram novos eletrocatalisadores bidimensionais para extrair hidrogênio da água com alto desempenho e baixo custo.
No processo, eles também criaram um modelo simples para selecionar materiais quanto à atividade catalítica.
Vários catalisadores foram modelados pelo físico teórico de Rice Boris Yakobson e o autor principal Yuanyue Liu, um ex-aluno de pós-graduação em seu laboratório, e feito e testado por cientistas de materiais do Rice liderados por Pulickel Ajayan e Jun Lou. Eles descobriram que os novos catalisadores de dichalcogeneto combinavam com a eficiência da platina - o catalisador de reação de evolução de hidrogênio (HER) mais comum em células de divisão de água - e podem ser feitos por uma fração do custo.
O estudo aparece em Nature Energy .
Os cientistas que têm testado dichalcogenetos de molibdênio e tungstênio como possíveis catalisadores de HER ficaram frustrados ao descobrir que os locais ativos tendiam a se concentrar nas bordas das plaquetas de metal, uma pequena porcentagem da superfície do material.
A equipe do Rice voltou-se para o nióbio e o tântalo, dois outros metais de transição (e chamados de eletrocatalisadores do Grupo 5 para sua posição intermediária na tabela periódica). Eles combinaram cada um com enxofre, esperando que os novos compostos tivessem sítios ativos ao longo de seus planos basais.
Acontece que o hidrogênio produzido ao longo dos aviões fez algo inesperado para tornar os materiais ainda mais eficazes. “O processo gera bolhas de hidrogênio entre as camadas, que começa a separá-los, "Yakobson disse." Isso torna as camadas mais acessíveis e aumenta o número de sites ativos. "
Uma imagem de microscópio eletrônico de varredura mostra um floco do eletrocatalisador bidimensional desenvolvido na Rice University. O material composto por um metal de transição e enxofre mostrou-se capaz de extrair hidrogênio da água com alto desempenho e baixo custo. Crédito:Yakobson Group / Rice University
As plaquetas multicamadas que compõem ambos os catalisadores tornaram-se mais finas, menores e mais dispersos à medida que se auto-otimizam, os pesquisadores observaram. O afinamento encurtou o caminho que os elétrons têm que percorrer, que reduziu a resistência de transferência de carga.
Liu disse que as melhorias de desempenho em ambos os eletrocatalisadores estão diretamente relacionadas às mudanças na forma física dos materiais, apesar de nenhuma mudança observada em suas propriedades químicas ou cristalinas.
"Este trabalho é uma boa combinação de teoria e experimento, "disse Liu, que iniciou o projeto durante uma bolsa de estudos em 2013 em Lawrence Livermore. "Primeiro analisamos por que os antigos catalisadores - dichalcogenetos de molibdênio e tungstênio - não funcionam bem e usamos esse conhecimento para prever novos catalisadores. Em seguida, recorremos a nossos colegas experimentais, que fez e testou os materiais com sucesso e verificou nossas previsões. "
Yakobson disse que o método de Liu para modelar o material pode ser tão importante quanto o próprio material. "Na verdade, Yuanyue criou uma nova forma abreviada de avaliar o desempenho catalítico, "disse ele." A maneira antiga era calcular diretamente a energia de ligação do reagente, como hidrogênio, à superfície. Em vez de, escolhemos a propriedade do próprio catalisador para servir como descritor - sem ter que nos preocupar com o que foi absorvido.
"Este trabalho é um raro exemplo da Iniciativa Genoma de Materiais em ação, ", disse ele." A teoria desenvolve um descritor para acelerar a pesquisa entre inúmeras possibilidades materiais e para acelerar a descoberta em comparação com a experimentação de tentativa e erro. "A iniciativa é um programa federal para acelerar a descoberta e implementação de materiais avançados.
As bolhas de gás hidrogênio evoluem da água nas superfícies do eletrocatalisador de dissulfeto de tântalo. A atividade catalítica em dichalcogenetos metálicos em camadas como estes é geralmente limitada às bordas, mas este trabalho relata novos materiais que também podem gerar hidrogênio nas superfícies. Crédito:Ryan Chen / LLNL.
Os pesquisadores esperam que o comportamento de auto-otimização dos materiais tenha vantagens práticas para o processamento escalonável.
"Encontrar catalisadores tensoativos em materiais em camadas é um passo significativo para a produção de hidrogênio usando catalisadores de metal não nobre, "disse o co-autor Lou, professor de ciência dos materiais e nanoengenharia e de química. "Também é muito importante que tais atividades de superfície possam ser verificadas experimentalmente diretamente, abrindo o caminho para aplicações futuras. "
