Para explorar o hidrogênio como uma fonte de energia limpa para o futuro, os cientistas têm se esforçado para desenvolver novos processos para produzir hidrogênio de maneira eficiente e econômica. Uma equipe composta por cientistas especializados em materiais estruturais na City University of Hong Kong (CityU) desenvolveu um eletrocatalisador de alto desempenho baseado em um conceito inovador originalmente para o desenvolvimento de ligas. O novo eletrocatalisador pode ser produzido em grande escala e baixo custo, fornecendo um novo paradigma na ampla aplicação da produção de hidrogênio por reação eletroquímica no futuro.

A pesquisa foi co-liderada pelo professor Lu Jian, Vice-presidente da CityU (pesquisa e tecnologia) e professor titular de engenharia mecânica, e o professor Liu Chain-tsuan, professor universitário ilustre da Faculdade de Engenharia. Os resultados foram publicados em Materiais avançados com o título "Um novo intermetálico multinário como um eletrocatalisador ativo para a evolução do hidrogênio".

Quando consumido em uma célula de combustível, o hidrogênio apenas produz água sem qualquer geração de dióxido de carbono. Portanto, é comumente considerada uma fonte limpa ideal para enfrentar os problemas de gases de efeito estufa e escassez de energia. Em comparação com outros métodos de produção de hidrogênio, A divisão eletroquímica da água é um processo relativamente amigo do ambiente com grande potencial para aplicações industriais. Contudo, a maioria dos eletrocatalisadores atuais são baseados em metais nobres, como platina e paládio. Seus altos custos e escassez dificultam muito o desenvolvimento e a aplicação desse método de produção de hidrogênio.

Mais cedo, O professor Liu desenvolveu uma estratégia inovadora de design de liga para a fabricação de compostos intermetálicos de alta entropia. Esta estratégia supera o dilema de compensação entre resistência e ductilidade em materiais metálicos tradicionais, introduzindo alta densidade de nanopartículas de compostos intermetálicos multicomponentes na escala nano. Os resultados foram publicados em Ciência . Uma vez que os compostos intermetálicos de alta entropia possuem estruturas atômicas bem ordenadas e funções químicas sinérgicas graças aos seus múltiplos componentes, ambos promovem o desempenho eletrocatalítico, a nova estratégia de design de liga também fornece uma visão para o desenvolvimento de novos eletrocatalisadores.

A equipe do Professor Liu colaborou com o grupo de especialistas do Prof Lu em pesquisa de metais nobres e desenvolveu um novo eletrocatalisador intermetálico de alta entropia (HEI), adotando a estratégia de design de liga. O novo eletrocatalisador é composto principalmente por cinco elementos metálicos:ferro, cobalto, níquel, alumínio e titânio. Ele também tem uma estrutura atômica bem ordenada. Por meio de um simples, método químico de uma etapa, a equipe produziu uma estrutura porosa semelhante a um dendrito que aumentou muito a área de superfície para atividades eletroquímicas e, portanto, melhorou significativamente o desempenho eletroquímico.

Ligas de alta entropia (HEAs) são novas ligas feitas de quatro ou mais elementos de metal, com boa mecânica, fisica, propriedades químicas e outras. Uma vez que contém variedades de elementos, as funções sinérgicas entre os diferentes elementos químicos fornecem muitos caminhos para otimizar o desempenho catalítico. Contudo, os HEAs convencionais têm distribuição atômica desordenada em sua solução sólida, portanto, é difícil alterar efetivamente a estrutura eletrônica e os locais ativos para finalmente promover a reação eletroquímica.

Por outro lado, compostos intermetálicos são um tipo de liga metálica formada por elementos metálicos, ou por elementos metálicos com um ou mais elementos não metálicos cuja estrutura cristalina difere das dos outros constituintes. Uma vez que os átomos de metal multinários são uniformemente distribuídos em sua estrutura intermetálica bem ordenada, ele permite um efeito de isolamento de site específico. E sua estrutura eletrônica é altamente ajustável. Por isso, é considerado um catalisador promissor. Contudo, a maioria das pesquisas atuais sobre eletrocatalisadores intermetálicos concentra-se em ligas binárias que não têm as funções sinérgicas entre os elementos metálicos multinários.

Portanto, O resultado desta pesquisa é, na verdade, o resultado da combinação das vantagens das ligas de alta entropia (efeitos sinérgicos entre elementos metálicos multinários) e compostos intermetálicos (efeito de isolamento de sítio estrutural intrínseco e estrutura eletrônica bem ajustada).

Usando a microscopia eletrônica de transmissão de varredura de resolução atômica (corrigida com Cs) e tomografia de sonda atômica 3-D em experimentos, a equipe caracterizou a estrutura atômica do eletrocatalisador HEI. Com mais cálculos teóricos, eles provaram que os efeitos sinérgicos e a estrutura atômica bem ordenada efetivamente otimizam a estrutura eletrônica, e, portanto, promover o processo de divisão eletroquímica da água.

Por causa de seus constituintes e estrutura únicos, este catalisador HEI realiza excelente reação de evolução de hidrogênio em solução de eletrólito alcalino.

"Nossa estratégia única para produzir HEI revela um novo paradigma para desenvolver um novo eletrocatalisador com atividades de reação superiores para dividir a água e produzir hidrogênio, "disse o professor Liu.

“O método que usamos para preparar o IES já tem sido amplamente empregado na produção industrial. Como usamos os metais mais baratos como matéria-prima, acreditamos que este novo eletrocatalisador terá potencial de aplicação promissor na produção industrial de hidrogênio, "Professor Lu acrescentou.