Por muitos anos, os cientistas têm procurado uma maneira eficaz e eficiente de transformar água em combustíveis de armazenamento de energia usando eletricidade solar e eólica, provavelmente dividindo a água em hidrogênio e oxigênio. Para fazer isso, eles têm procurado catalisadores para fazer essas reações de divisão da água acontecerem.

Os pesquisadores sabem há algum tempo que os óxidos de muitos metais, incluindo o conhecido óxido de ferro chamado ferrugem, são capazes de funcionar como catalisadores de divisão de água, particularmente quando os átomos dos óxidos de metal são organizados em pequenos aglomerados. Contudo, a atividade desses clusters, ou domínios, pode variar enormemente dependendo de suas estruturas.

Em um novo estudo de um grupo relacionado de óxidos de cobalto, cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) procuraram determinar por que dois catalisadores semelhantes com tamanhos de domínio um tanto diferentes se comportaram de maneira diferente.

"Nossa equipe de pesquisa realmente queria entender por que os óxidos de cobalto, que podem ser controlados para diferir apenas em termos de sua estrutura de domínio, têm atividades de divisão de água tão diferentes, "disse o químico David Tiede, Membro ilustre na divisão de Ciências Químicas e Engenharia da Argonne. "Entender isso forneceria uma maneira de compreender a catálise de divisão da água para óxidos de metal de forma mais geral."

No estudo, Tiede e seus colegas utilizaram a Advanced Photon Source (APS) e o Center for Nanoscale Materials (CNM) de Argonne, juntamente com o Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) do SLAC National Accelerator Laboratory, todas as instalações do usuário do DOE Office of Science. Eles combinaram uma ampla gama de diferentes técnicas de raios-X e os recursos de microscopia eletrônica do CNM para examinar esses domínios em escala atômica.

"O empolgante dessa pesquisa é que adotamos uma abordagem verdadeiramente multimodal que combina o poder dos raios X suaves e duros, "Tiede disse.

Tiede e outros pesquisadores apresentaram um artigo sobre o estudo no Jornal da American Chemical Society , No verão passado.

"As técnicas de raios-X ressonantes são uma ferramenta poderosa para fornecer uma riqueza de estrutura e informações eletrônicas sobre catalisadores de óxido de metal, particularmente quando eles são estruturalmente mal definidos, "acrescentou o físico de raios-X de Argonne Jung Ho Kim, quem estava entre esses autores.

A equipe de pesquisa conseguiu mostrar que as diferenças na atividade catalítica são controladas pela condutividade em escala atômica.

Quando os domínios de óxido de cobalto se formaram na presença de borato, os pesquisadores viram que os elétrons se moviam com relativa rapidez e suavidade por todo o material. Quando os óxidos de cobalto se formaram com fosfato, Contudo, cargas elétricas não podiam migrar tão facilmente.

O motivo dessa diferença, Tiede explicou, é que os átomos de cobalto no borato de cobalto podem compartilhar elétrons uns com os outros no que os cientistas chamam de orbitais híbridos. "Essencialmente, você pode pensar nos orbitais híbridos em borato de cobalto como sendo as redes sociais da internet, Considerando que os orbitais em fosfato de cobalto são como telefones fixos, "Tiede disse." As informações podem viajar mais rapidamente por meio de conexões de rede sempre ativas. "

A presença de orbitais híbridos em borato de cobalto torna o material um melhor catalisador de divisão de água do que o fosfato de cobalto, mesmo que o último tenha sítios catalíticos mais ativos. "Ser capaz de mover as cargas para os locais ativos torna-se o fator chave para determinar a eficiência do catalisador, "Tiede disse.

Ao examinar os dois óxidos de cobalto, Tiede e sua equipe encontraram algo mais surpreendente. Tipicamente, o processo de separação da água requer etapas de quebra de ligação e criação de ligação que são as partes mais desafiadoras da catálise, mas neste caso, obter carga suficiente para os sites ativos acabou sendo a parte mais difícil. "Fazer com que as cobranças cheguem aos sites com rapidez é um parâmetro-chave de design que precisamos aprender a controlar, "Tiede disse.

Combinar mobilidade de carga com eficiência de divisão de água será essencial para desenvolver um catalisador que pode efetivamente transformar água em eletricidade. "Você pode ter o melhor ar condicionado do mundo, mas se a fiação da sua casa for péssima, você não vai fazer funcionar corretamente, "Tiede acrescentou." O local da divisão de água está fazendo muitas coisas complicadas, mas se não estiver recebendo corrente suficiente, não vai fazer muito. "

O artigo baseado no estudo, "Resolução de fatores eletrônicos e estruturais subjacentes ao desempenho de evolução de oxigênio em catalisadores de óxido de cobalto amorfo, "apareceu na edição de 20 de julho da Jornal da American Chemical Society .