O equilíbrio é a base para uma vida feliz ou uma dieta saudável. Para cientistas que trabalham para projetar novos catalisadores para criar energia renovável, equilibrar diferentes materiais e suas propriedades é igualmente importante. (Os catalisadores ajudam a acelerar as reações químicas.)

Em um novo estudo, pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), Universidade Johns Hopkins, A Universidade Drexel e várias universidades na Coréia do Sul usaram uma abordagem nova e contra-intuitiva para criar um catalisador melhor que apóie uma das reações envolvidas na divisão da água em hidrogênio e oxigênio. Os cientistas planejam usar o hidrogênio gerado como combustível limpo.

Ao criar primeiro uma liga de dois dos elementos naturais mais densos e, em seguida, remover um, os cientistas remodelaram a estrutura do material remanescente para que equilibrasse melhor três fatores importantes para as reações químicas:atividade, estabilidade e condutividade.

"Encontrar um material que funcione bem para a conversão ou armazenamento de energia é como criar um casamento feliz, "disse Nenad Markovic, um cientista de materiais da Argonne e autor do estudo. "No nosso caso, descobrimos que uma parceria dinâmica entre dois materiais diferentes nos ajudou a integrar preocupações concorrentes. "

Cientistas em busca de novos catalisadores vasculharam a tabela periódica para encontrar os elementos certos ou combinações de elementos para maximizar a atividade de um catalisador em reações de divisão de água, bem como a durabilidade dos sítios ativos em sua superfície. Encontrar materiais estáveis ​​e ativos, Contudo, tem sido um desafio.

"Catalisadores mais ativos tendem a ser menos estáveis, "Disse Markovic." Aqueles que parecem funcionar duas vezes mais bem, geralmente funcionam apenas a metade do tempo. Está se tornando óbvio que projetar catalisadores ativos não é suficiente - precisamos não apenas ter ativos, mas também estável, materiais. "

Para o novo catalisador, Markovic e seus colegas recorreram ao irídio, um metal mais comumente associado a meteoritos. Como uma película fina, irídio é cataliticamente ativo, mas como reage ao longo do tempo com um ambiente eletrolítico, átomos de irídio são oxidados. Durante este processo, alguns deles deixam a superfície do catalisador por meio da corrosão, prejudicando cada vez mais seu desempenho.

A equipe de pesquisa trabalhou para prevenir a oxidação reorganizando a estrutura do irídio. Para ajudar a estabilizar e ativar o irídio, eles ligaram com seu vizinho na tabela periódica, ósmio.

Ao contrário do irídio, ósmio não é cataliticamente ativo nem estável, mas ofereceu um benefício importante. Depois de ligar o ósmio e o irídio juntos, os pesquisadores então desligaram os dois metais, deixando para trás apenas uma estrutura reconfigurada de nanoporos de irídio tridimensionais.

"Sem o ósmio, o irídio nunca alcançaria este estado, Markovic disse. "Precisávamos introduzir e depois remover o ósmio para obter uma forma de irídio que fosse ativa e estável."

Markovic disse que a estabilidade catalítica aprimorada de cada nanoporo se deve ao pequeno volume de eletrólito dentro de um poro que se torna rapidamente saturado com íons de irídio para que os átomos da superfície parem de se dissolver, da mesma forma que é mais fácil saturar uma xícara de chá de água com açúcar do que uma jarra de 40 litros.

Embora a estrutura do nanoporo atendesse à necessidade de um estábulo, catalisador ativo, foi outra faceta da reconfiguração do irídio que ajudou a aumentar a condutividade eletrônica do material. Sob condições operacionais, o catalisador poroso, na verdade, forma um invólucro único de óxido de irídio menos condutor em torno de seu interior de metal de irídio altamente condutor. Por aqui, elétrons podem se mover facilmente através da maior parte do catalisador para alcançar a superfície, onde a molécula de água espera os elétrons para iniciar a reação de divisão da água.

"Essencialmente, estamos tentando encontrar uma maneira de enviar elétrons pela 'via expressa, 'ao invés de fazê-los tomar as estradas vicinais, "Markovic disse." Esta configuração núcleo-concha [do material nanoporoso] nos permite fazer isso. "

O estudo, "Atividade de equilíbrio, estabilidade e condutividade de catalisadores de evolução de oxigênio de irídio / óxido de irídio com núcleo nanoporoso, "apareceu na edição de 13 de novembro da Nature Communications .