A eletricidade pode ser gerada por fontes renováveis, como luz solar e vento, então usado para dividir a água, que faz o hidrogênio como combustível para dispositivos de energia emergentes, como células de combustível. Porque o hidrogênio é um combustível limpo, pesquisadores estão se esforçando muito para desenvolver catalisadores de divisão de água, essenciais para a eficiência energética da reação.

O foco está principalmente na chamada reação de evolução de oxigênio (OER), que é indiscutivelmente o processo mais desafiador na divisão da água. Depois de muitos anos de intensa pesquisa, O óxido de níquel-ferro está agora estabelecido como o catalisador go-to para REA em condições alcalinas devido à sua alta atividade e composição abundante em terra, e também porque tem a maior atividade por local de reação entre todos os óxidos metálicos.

Cerca de três anos atrás, cientistas do laboratório de Xile Hu na EPFL descobriram outro catalisador que era significativamente mais ativo do que o óxido de níquel-ferro, mesmo tendo uma composição semelhante. É robusto, fácil de sintetizar, e aberto a aplicações industriais.

A descoberta foi liderada por Fang Song, um pós-doutorado no grupo de Hu, que desde então ingressou no corpo docente da Universidade Jiaotong de Xangai, na China. Reconhecendo seu potencial tecnológico, Hu, Canção, e sua colega Elitsa Petkucheva começou a testar o catalisador em um projeto de prova de conceito. O catalisador habilitou um eletrolisador eficiente que poderia funcionar em condições industriais enquanto requeria 200 mV a menos de voltagem.

Mas o novo catalisador também não era convencional em termos de química. "Não tínhamos ideia de por que o catalisador seria tão ativo, "diz Hu. Então, sua equipe pediu ajuda ao grupo de Clemence Corminboeuf da EPFL. Trabalhando com seu pós-doutorado, Michael Busch, Corminboeuf usou cálculos da teoria funcional da densidade (DFT) para pesquisar possíveis explicações teóricas. DFT é um computador, método da mecânica quântica que modela e estuda a estrutura de sistemas de muitos corpos, por exemplo. átomos, e moléculas.

O resultado foi radical:a alta atividade do novo catalisador se origina de uma ação cooperativa de dois componentes separados por fase de óxidos de ferro e níquel, que superou uma limitação previamente identificada de óxidos de metal convencionais, onde a reação ocorreu localmente em apenas um único local de metal. Eles o chamaram de mecanismo bifuncional.

Embora o mecanismo derivado de DFT fosse hipotético, orientou estudos experimentais sobre a atividade e propriedades do catalisador com Benedikt Lassalle-Kaiser no Synchrotron SOLEIL na França. Usando espectroscopia de absorção de raios-X (XAS), o trabalho descobriu evidências de dois óxidos de ferro e níquel separados por fase no catalisador. Mas, como os catalisadores podem sofrer mudanças composicionais e estruturais durante a catálise, tornou-se necessário estudar o catalisador em operação com XAS.

Em um estudo abrangente operando XAS, Chen e seu aluno de pós-graduação, Chia-Shuo Hsu, revelou uma estrutura única do catalisador - é feito de nanoclusters de γ-FeOOH covalentemente ligados a um suporte γ-NiOOH, o que o torna um catalisador de óxido de ferro-níquel, ao contrário do óxido de níquel-ferro convencional. Embora não seja uma prova direta, esta estrutura é compatível com o mecanismo bifuncional proposto pelo DFT.

"Este é um estudo verdadeiramente interdisciplinar envolvendo muitas colaborações frutíferas, "diz Hu." Os estudos fundamentais não fornecem apenas insights sobre a estrutura e atividade deste catalisador não convencional, mas também levam a uma hipótese mecanicista instigante. "