Estrutura do NaCo (PO3) 3metafosfato com uma visão expandida dos blocos de construção de [CoO6] octaedros e [PO4] tetraedros de canto compartilhado. Crédito:Instituto Indiano de Ciência
Em um passo significativo em direção à produção de hidrogênio em grande escala, pesquisadores do Instituto Indiano de Ciência (IISc) desenvolveram um catalisador de baixo custo que pode acelerar a divisão da água para produzir gás hidrogênio.
Dividir água usando eletricidade é um método amplamente explorado para gerar gás hidrogênio, uma fonte de energia limpa há muito procurada para células de combustível, baterias e veículos com emissões zero. Uma das duas principais reações envolvidas neste processo - chamada de Reação de Evolução do Oxigênio - é notoriamente lenta, restringindo a eficiência geral. Os pesquisadores se concentraram no desenvolvimento de melhores catalisadores - materiais que podem acelerar a reação enquanto permanecem neutros. Os catalisadores mais eficientes hoje são feitos de metais preciosos, como rutênio e platina, que são caros e raros.
Uma equipe IISc desenvolveu agora um catalisador de baixo custo, combinando óxido de cobalto com sais de fosfato de sódio. O custo do material é mais de duzentas vezes menos caro do que o atual catalisador de dióxido de rutênio de última geração, e a taxa de reação também é mais rápida, diz Ritambhara Gond, Estudante de doutorado no Centro de Pesquisa de Materiais (MRC), IISc, quem é o primeiro autor do artigo publicado em Angewandte Chemie .
"Este material pode ser muito útil para aplicações em grande escala em muitos dispositivos, como baterias de metal-ar, células de combustível, etc, " ela diz.
O estudo foi liderado por Prabeer Barpanda, Professor Assistente no MRC, IISc, e realizado em colaboração com pesquisadores do Centro de Pesquisa Científica Avançada Jawaharlal Nehru (JNCASR).
Configuração experimental que mostra a liberação de gases O2 como bolhas durante as condições OER (reação de evolução de oxigênio) circundadas por elipse tracejada para enfatizar a evolução de O2. Camada de carbono com material de metafosfosfato cristalino também é mostrada com uma seta amarela que é o catalisador relatado pela primeira vez para REA. Crédito:Instituto Indiano de Ciência
Quando a água é dividida usando eletricidade na presença de um catalisador, átomos de hidrogênio recebem elétrons de um eletrodo para formar gás hidrogênio, enquanto no eletrodo oposto, gás oxigênio é liberado (Reação de evolução de oxigênio). Os pesquisadores se concentraram amplamente em acelerar a última reação. Catalisadores feitos de metais de platina ou rutênio são os mais eficientes nisso, já que eles desperdiçam menos energia, e as taxas de reação são mais altas. Seu custo e escassez, Contudo, dificulta sua aplicação em larga escala.
Para desenvolver alternativas de baixo custo, a equipe IISc voltou-se para sais chamados metafosfatos, que foram testados anteriormente para aplicações de armazenamento de energia, mas não para catálise. Os pesquisadores torraram o metafosfato de sódio e o óxido de cobalto na presença de gás argônio em um forno privado de oxigênio. Isso criou uma "folha" de carbono parcialmente queimado sobre a qual cristais feitos de óxido de cobalto emoldurados por metafosfato de sódio foram espalhados.
"Os metafosfatos formam uma estrutura forte e mantêm esses óxidos de cobalto intactos, mostrando alta estabilidade após a atividade catalítica, "diz Gond. Isso permitiria ao catalisador reter sua atividade ao longo de vários ciclos, levando à durabilidade de longo prazo. A presença do leito de carbono também aumentou a condutividade do catalisador, e, portanto, sua eficiência, ela diz.
Quando comparado com outros catalisadores, os pesquisadores descobriram que a densidade da corrente - uma medida de quão rápido a reação pode acontecer - era maior para o seu catalisador do que até mesmo o dióxido de rutênio, indicando atividade catalítica superior.
"Agora estamos planejando testar este catalisador em baterias de metal-ar e dispositivos de separação de água, "diz Gond.
