Nanopartículas de metais não preciosos podem um dia substituir catalisadores caros para a produção de hidrogênio. Contudo, muitas vezes é difícil determinar quais taxas de reação eles podem atingir, especialmente quando se trata de partículas de óxido. Isso ocorre porque as partículas devem ser fixadas ao eletrodo usando um aglutinante e aditivos condutores, que distorcem os resultados. Com o auxílio de análises eletroquímicas de partículas individuais, os pesquisadores agora conseguiram determinar a atividade e a conversão de substâncias de nanocatalisadores feitos de óxido de cobalto-ferro - sem qualquer aglutinante. A equipe liderada pela professora Kristina Tschulik da Ruhr-Universität Bochum relata junto com colegas da Universidade de Duisburg-Essen e de Dresden no Jornal da American Chemical Society , publicado online em 30 de maio de 2019.

"O desenvolvimento de catalisadores de metais não preciosos desempenha um papel decisivo na realização da transição energética, pois só eles são baratos e disponíveis em quantidades suficientes para produzir as quantidades necessárias de combustíveis renováveis, "diz Kristina Tschulik, um membro do Cluster of Excellence Ruhr Explores Solvation (Resolv). Hidrogênio, uma fonte de energia promissora, pode assim ser adquirido pela divisão da água em hidrogênio e oxigênio. O fator limitante aqui tem sido a reação parcial na qual o oxigênio é produzido.

Melhor do que as taxas de reação atualmente alcançadas na indústria

A eficiência com que as partículas de óxido de cobalto e ferro são capazes de catalisar a geração de oxigênio foi investigada pelos pesquisadores no presente trabalho. Eles analisaram muitas partículas individuais, uma após a outra. Os químicos permitiram que uma partícula catalisasse a geração de oxigênio na superfície do eletrodo e mediram o fluxo de corrente deste, que fornece informações sobre a taxa de reação. “Medimos densidades de corrente de vários quiloamps por metro quadrado, "diz Tschulik." Isso está acima das taxas de reação atualmente possíveis na indústria. "

A equipe mostrou que, para partículas menores que dez nanômetros, o fluxo de corrente depende do tamanho da partícula - quanto menor for a partícula do catalisador, quanto menor a corrente. A corrente também é limitada pelo oxigênio que é produzido na reação e que se difunde para longe da superfície da partícula.

Extremamente estável, apesar do alto estresse

Seguindo os experimentos de catálise, os químicos observaram as partículas de catalisador sob o microscópio eletrônico de transmissão. "Apesar das altas taxas de reação, ou seja, embora as partículas tenham criado muito oxigênio, eles quase não mudaram, "diz Tschulik." A estabilidade sob condições extremas é excepcional. "

A abordagem de análise usada no trabalho atual também pode ser transferida para outros eletrocatalisadores. "É essencial saber mais sobre as atividades dos nanocatalisadores para poder desenvolver com eficiência catalisadores de metais não preciosos para as tecnologias de energia renovável de amanhã, "diz o químico de Bochum. Para analisar o efeito do tamanho da partícula na atividade catalítica, é importante sintetizar nanopartículas com tamanho definido. Como parte da University Alliance Ruhr, a equipe de Bochum coopera estreitamente com pesquisadores da Universidade de Duisburg-Essen liderados pelo professor Stephan Schulz, que produzem as partículas de catalisador.