p Um novo catalisador à base de rutênio desenvolvido na UC Santa Cruz mostrou desempenho notavelmente melhor do que os catalisadores de platina comerciais na eletrólise de água alcalina para a produção de hidrogênio. O catalisador é um material compósito nanoestruturado composto de nanofios de carbono com átomos de rutênio ligados a nitrogênio e carbono para formar sítios ativos dentro da matriz de carbono. p A divisão eletroquímica da água para produzir hidrogênio é uma etapa crucial no desenvolvimento do hidrogênio como um produto limpo, combustível amigo do ambiente. Grande parte do esforço para reduzir o custo e aumentar a eficiência desse processo tem se concentrado em encontrar alternativas para os caros catalisadores à base de platina.

p Na UC Santa Cruz, pesquisadores liderados por Shaowei Chen, professor de química e bioquímica, têm investigado catalisadores feitos pela incorporação de rutênio e nitrogênio em materiais nanocompósitos à base de carbono. Suas novas descobertas, publicado em 7 de fevereiro em Nature Communications , não apenas demonstram o desempenho impressionante de seu catalisador à base de rutênio, mas também fornecem informações sobre os mecanismos envolvidos, o que pode levar a mais melhorias.

p "Esta é uma demonstração clara de que o rutênio pode ter uma atividade notável em catalisar a produção de hidrogênio a partir da água, "Disse Chen." Também caracterizamos o material em escala atômica, que nos ajudou a entender os mecanismos, e podemos usar esses resultados para o projeto racional e engenharia de catalisadores à base de rutênio. "

p A microscopia eletrônica e a análise de mapeamento elementar do material mostraram nanopartículas de rutênio, bem como átomos de rutênio individuais dentro da matriz de carbono. Surpreendentemente, os pesquisadores descobriram que os principais locais de atividade catalítica eram átomos únicos de rutênio, em vez de nanopartículas de rutênio.

p "Isso foi um grande avanço, porque muitos estudos têm atribuído a atividade catalítica às nanopartículas de rutênio. Descobrimos que átomos individuais são os locais ativos dominantes, embora nanopartículas e átomos individuais contribuam para a atividade, "disse o primeiro autor Bingzhang Lu, um estudante de graduação no laboratório de Chen na UC Santa Cruz.

p Lu trabalhou com o co-autor Yuan Ping, professor assistente de química e bioquímica, para fazer cálculos teóricos mostrando por que átomos únicos de rutênio são centros catalíticos mais ativos do que nanopartículas de rutênio.

p "Fizemos cálculos independentes a partir dos primeiros princípios para mostrar como o rutênio forma ligações com carbono e nitrogênio neste material e como isso reduz a barreira da reação para dar melhor atividade catalítica, "Ping disse.

p Chen disse que entrou com um pedido de patente para a preparação experimental de catalisadores à base de rutênio. Ele notou que, além de aplicações potenciais para a produção de hidrogênio como parte de sistemas de energia sustentável, a eletrólise de água alcalina já é amplamente utilizada na indústria química, como é um processo relacionado chamado eletrólise de cloro-álcali para o qual o catalisador de rutênio também pode ser usado. Assim, já existe um grande mercado para mais barato, catalisadores mais eficientes.

p A eletrólise da água para produzir hidrogênio pode ser realizada em condições ácidas ou alcalinas, e cada método tem vantagens e desvantagens. Os catalisadores de platina são muito mais eficazes em meio ácido do que em meio alcalino. Os catalisadores à base de rutênio funcionam quase tão bem quanto a platina em meio ácido, enquanto supera a platina em meio alcalino, Chen disse.

p Em trabalho futuro, os pesquisadores buscarão maximizar o número de sítios ativos no material. Eles também podem investigar o uso de outros metais na mesma plataforma de nanocompósitos, ele disse.