Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Sangaraju Shanmugam de Ciência e Engenharia de Energia da DGIST desenvolveu-se altamente eficiente, eletrocatalisador nanoestruturado ultra-durável e substituiu com sucesso o precioso ânodo na eletrólise da água, através da colaboração com o grupo de pesquisa do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

A substituição de combustíveis convencionais por recursos de energia renovável é uma abordagem adequada para alcançar um ambiente amigo do ambiente e diminuir as futuras demandas de energia. Assim, geração ou conversão de energia eletroquímica em dispositivos de energia renovável, que depende das reações anódicas e catódicas, tem recebido muita atenção.

Na divisão eletrocatalítica da água, gás oxigênio é gerado no ânodo devido à reação de evolução de oxigênio (OER), uma reação eletroquímica lenta em comparação com a reação de evolução de hidrogênio (HER). Assim, um eletrocatalisador adequado é necessário para a separação eletrocatalítica estável da água.

Desenvolvimento de eficiente, durável, eletrocatalisadores OER de baixo custo são importantes para dispositivos de energia eletrolisadores de água. Até agora, os óxidos de rutênio e irídio foram considerados eletrocatalisadores de última geração em REA, mas a falta de estabilidade limita seu uso na divisão de água em grande escala, dificultando a comercialização generalizada.

A equipe do professor Shanmugam, junto com pesquisadores do PNNL, se concentraram no desenvolvimento de uma alternativa de baixo custo, eletrocatalisador de metal não nobre para substituir o eletrodo de ânodo de metal nobre na separação de água eficiente. O metal suportado por carbono é considerado um material eletrocatalítico eficiente para REA aprimorado na divisão de água. Até aqui, a maioria dos eletrocatalisadores desenvolvidos apresenta maior teor de carbono e menor teor de metal ativo especioso. A maior quantidade de carbono atolou os verdadeiros sítios ativos de metal, e resultou em condições de corrosão de carbono mais rápidas. Isso levou a uma menor atividade eletrocatalítica.

No estudo, os pesquisadores descobriram que um grande número de íons de cobalto metálico inorgânicos ligados por ligantes orgânicos no azul da Prússia são um precursor adequado para o desenvolvimento de ultraestáveis, rico em metal, eletrocatalisadores core-shell encapsulados em nanocarbono grafítico dopado com nitrogênio para o lento OER (ânodo) na divisão de água.

Quando aquecido (600 a 900 graus C) em uma atmosfera inerte, os íons de cobalto metálico e ligantes orgânicos no sal são transformados em cobalto metálico e camadas finas de carbono grafítico dopado com nitrogênio, respectivamente, que formam a fina camada de carbono, metálico encapsulado, nanoestruturas de núcleo-casca de cobalto (Core-Shell Co @ NC). As finas camadas de carbono têm uma forte interação com o metal cobalto, que promovem menos corrosão de carbono, exibem excelente movimento de elétrons, e tem mais exposição de cobalto metálico ao meio de reação, incluindo a formação de morfologia nanométrica sem agregação de partículas.

O efeito combinado de carbono e cobalto metálico nos eletrodos atinge uma atividade OER eletrocatalítica mais eficiente do que eletrodos de metais preciosos para uma separação eficiente da água. Portanto, o eletrodo rico em metal não nobre é uma alternativa, ativo, estábulo, e ânodo OER menos caro para produção econômica de gás H2 em eletrólise de água em escala comercial.

"Antecipamos que esta seja uma abordagem única para o desenvolvimento de metais ricos, nanoestruturas compostas de carbono reduzido que têm sítios ativos de metal aprimorados, que apresentam proteção de camada de carbono fina e movimento ultrarrápido de elétrons na superfície do catalisador, que aumentará a atividade eletroquímica e a estabilidade dos eletrocatalisadores, "diz o professor Shanmugam." Faremos os estudos de acompanhamento que podem ser usados ​​para entender o mecanismo real de REA nas espécies ativas na presença de revestimento de nanocarbono.

O resultado desta pesquisa foi publicado na edição online de Materiais de energia avançados em 11 de janeiro de 2018, um jornal internacional de renome na área de materiais emergentes.

Entrevista com o professor Sangaraju Shanmugam (Departamento de Ciência e Engenharia de Energia):

P. Quais são as diferenças em comparação com estudos anteriores?

A. Nos estudos anteriores, os pesquisadores prepararam os metais revestidos de carbono de vários precursores, incluindo estruturas metal-orgânicas (MOFs). Os catalisadores obtidos exibem mais carbono com natureza grafítica reduzida, e o carbono cobriu os sítios ativos de metal. Assim, a maioria dos sítios de metal ativo não é utilizada adequadamente pelas reações eletroquímicas. Também, devido à corrosão de carbono substancial, esses catalisadores não são adequados o suficiente para o OER lento na divisão da água no potencial positivo mais alto com falta de instabilidade em condições de eletrólito adversas. De acordo, nesse trabalho, preparamos os ricos em metal, camadas finas de nanocarbono (NC) encapsulado eletrocatalisador de nanoestruturas Co @ NC core-shell de um único precursor análogo de azul da Prússia (PB). O Co @ NC mostrou maior atividade de evolução de oxigênio e ultraestabilidade no coletor de corrente de espuma de níquel. Geral, as camadas de carbono finas e uniformes fornecem os movimentos de elétrons rápidos, mais utilização de sítios ativos de metal com fácil penetração do eletrólito. Mais importante, pode proteger os sítios de metal ativo da corrosão com exposição mínima e também a forte interação entre as camadas de metal e carbono exibe o efeito sinérgico em direção à excelente atividade e ultra-estabilidade (mais de 350 h) de nanoestruturas Co @ NC núcleo-casca com menos possibilidade de oxidação de carbono.

P. Como pode ser utilizado?

A. Com base no desempenho notável de OER, kinetics and long-term stability of core-shell Co@NC nanostructures as compared to the state-of-the-art Noble metal based electrocatalysts, such as IrO2 and RuO2, it is the most suitable candidate to replace precious metal OER electrodes for reducing the overall cost of the water electrolyzer system. Assim, the development of efficient and durable non-noble metal electrocatalyst in water electrolyzer is the main obstacle for successful commercialization of water electrolyzers.

Q. How long will it be required for commercialization?

A. The process is readily available for the fabrication of cost-effective catalysts. But we still have to evaluate the integration of this catalytic system in a polymer electrolyte membrane electrolyzer .Studies are underway to understand the OER mechanism on this electrocatalyst. So for commercialization, it may require a year with complete understanding of activity and stability.

Q. What are the challenges for commercialization?

A. We have to make the uniform coating of this catalyst on the larger size current collectors without any peeling. So we need to find a more suitable coating methodology. Também, as with precious OER electrocatalysts, we have to understand the precise OER mechanism on this electrocatalysts to maintain/avoid activity losses due to the unwanted side reactions, etc.

Q. What is the motivation for your research?

A. The primary motivation of this work is to replace the precious anode in water electrolyzer systems with high activity and stability. So to improve the activity and stability, we tried to introduce the very thin carbon coating on the metal active sites. Geral, the development metal-rich and carbon less OER electrocatalysts with proper utilization of metal-active species and metal-carbon synergistic effect to overcome the sluggish anode reaction in water electrolysis.

Q. What is the final goal you would like to achieve through this research?

A. Based on this research, we understand that the metal-rich electrocatalysts are among the most suitable materials for excellent OER activity. So we want to prepare the cheapest anode electrocatalysts by using the same methodology and eliminate the use of precious electrodes in the water electrolyzer system for the production of green and sustainable hydrogen in large scale.