O hidrogênio produzido a partir da água pela reação de evolução do hidrogênio é uma fonte atraente de combustível limpo. A produção de hidrogênio em larga escala a baixo custo é necessária para viabilizar sua viabilidade como fonte de energia alternativa aos combustíveis fósseis. Para atingir esse objetivo, durável, são necessários catalisadores baratos. A maioria dos catalisadores atuais baseados em metais não preciosos sofrem de instabilidade nas soluções ácidas formadas durante a evolução do hidrogênio. Contudo, simplesmente proteger o catalisador da solução ácida tende a diminuir sua atividade.

Uma colaboração liderada pela Universidade de Tsukuba otimizou recentemente uma abordagem para aumentar a estabilidade dos catalisadores usados ​​na reação de evolução do hidrogênio sem sacrificar marcadamente a atividade. A equipe descobriu que o revestimento de nanopartículas de catalisador com um número ideal de camadas de grafeno - uma folha de átomos de carbono organizada em uma estrutura em favo de mel com alta condutividade e resistência mecânica - aumentou a durabilidade das nanopartículas, permitindo que as nanopartículas retenham sua atividade catalítica. O estudo foi publicado na ACS Energy Letters.

"Otimizamos o equilíbrio entre o número de camadas de grafeno que revestem as nanopartículas e sua atividade catalítica, "estudo primeiro autor Kailong Hu diz." Para fazer isso, tivemos que controlar com precisão o número de camadas de grafeno que revestem as nanopartículas, que conseguimos regulando cuidadosamente o tempo de deposição de grafeno nas nanopartículas. "

Uma série de amostras de nanopartículas revestidas com diferentes números de camadas de grafeno foi fabricada, caracterizado, e então sua atividade catalítica na reação de evolução de hidrogênio foi determinada. As nanopartículas de catalisador revestidas com o número ideal de camadas de grafeno, que tinha apenas três a cinco camadas, exibiu atividade semelhante na reação de evolução de hidrogênio àquela de um catalisador caro à base de platina. Mais importante, essas nanopartículas também exibiram alta estabilidade; o revestimento de grafeno evitou que as nanopartículas de metal se dissolvessem na solução de reação ácida.

Os pesquisadores realizaram cálculos teóricos para apoiar suas descobertas experimentais. Os resultados corroboraram as relações entre o número da camada de grafeno, estabilidade química, e atividade catalítica das nanopartículas indicadas pelos dados experimentais. Isso é, as nanopartículas revestidas com menos de três camadas de grafeno mostraram maior atividade catalítica do que aquelas revestidas com três a cinco camadas, mas isso veio às custas da durabilidade; o primeiro mostrou estabilidade química mais pobre do que o último.

"Nossos resultados pavimentam o caminho para o design racional de estábulos, catalisadores baratos para produção de hidrogênio em larga escala em estações de hidrogênio por eletrólise de membrana de eletrólito de polímero no local sob condições ácidas, "o co-autor Yoshikazu Ito explica.

As descobertas da equipe nos trazem um passo mais perto da realização de um futuro limpo e sustentável usando hidrogênio como fonte de combustível.