p A economia futura baseada em fontes de energia renováveis ​​e sustentáveis ​​pode utilizar carros movidos a bateria, grandes parques solares e eólicos, e reservas de energia armazenadas em baterias e combustíveis químicos. Embora já existam exemplos de fontes de energia sustentáveis ​​em uso, descobertas científicas e de engenharia determinarão o cronograma para ampla adoção. p Um paradigma proposto para abandonar os combustíveis fósseis é a economia do hidrogênio, em que o gás hidrogênio alimenta as necessidades elétricas da sociedade. Para produzir em massa o gás hidrogênio, alguns cientistas estão estudando o processo de divisão da água - dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio - o que resultaria em combustível hidrogênio e gás oxigênio respirável.

p Feng Lin, professor assistente de química na Virginia Tech College of Science, está se concentrando em armazenamento de energia e pesquisa de conversão. Este trabalho faz parte de um novo estudo publicado na revista. Catálise Natural que resolve uma chave, barreira fundamental no processo de separação eletroquímica da água, onde o Lin Lab demonstra uma nova técnica de remontagem, revivificar, e reutilizar um catalisador que permite a separação da água com eficiência energética. Chunguang Kuai, um ex-aluno de graduação de Lin, é o primeiro autor do estudo com Lin e co-autores estudantes de pós-graduação em química Zhengrui Xu, Anyang Hu, e Zhijie Yang.

p A ideia central deste estudo remonta a uma disciplina das aulas de química geral:os catalisadores. Essas substâncias aumentam a velocidade de uma reação sem serem consumidas no processo químico. Uma forma de um catalisador aumentar a taxa de reação é diminuindo a quantidade de energia necessária para o início da reação.

p A água pode parecer básica como uma molécula composta de apenas três átomos, mas o processo de divisão é bastante difícil. Mas o laboratório de Lin o fez. Até mesmo mover um elétron de um átomo estável pode consumir muita energia, mas essa reação requer a transferência de quatro para oxidar o oxigênio e produzir gás oxigênio.

p "Em uma célula eletroquímica, o processo de transferência de quatro elétrons tornará a reação bastante lenta, e precisamos ter um nível eletroquímico mais alto para que isso aconteça, "Lin disse." Com uma energia maior necessária para dividir a água, a eficiência a longo prazo e a estabilidade do catalisador tornam-se os principais desafios. "

p Para atender a esse alto requisito de energia, o Lin Lab apresenta um catalisador comum chamado hidróxido de ferro e níquel misto (MNF) para diminuir o limite. As reações de divisão da água com MNF funcionam bem, mas devido à alta reatividade do MNF, tem uma vida útil curta e o desempenho catalítico diminui rapidamente.

p Lin e sua equipe descobriram uma nova técnica que permitiria a remontagem periódica ao estado original do MNF, permitindo assim que o processo de divisão da água continue. (A equipe usou água doce em seus experimentos, mas Lin sugere que a água salgada - a forma de água mais abundante na Terra - também pode funcionar.)

p MNF tem uma longa história com estudos de energia. Quando Thomas Edison consertou baterias há mais de um século, ele também usou os mesmos elementos de níquel e ferro em baterias à base de hidróxido de níquel. Edison observou a formação de gás oxigênio em seus experimentos de hidróxido de níquel, o que é ruim para uma bateria, mas no caso de rachar a água, a produção de gás oxigênio é o objetivo.

p "Os cientistas perceberam há muito tempo que a adição de ferro na rede de hidróxido de níquel é a chave para o aumento da reatividade da separação da água." Disse Kuai. "Mas sob as condições catalíticas, a estrutura do MNF pré-projetado é altamente dinâmica devido ao ambiente altamente corrosivo da solução eletrolítica. "

p Durante os experimentos de Lin, O MNF se degrada de uma forma sólida em íons metálicos na solução eletrolítica - uma limitação chave para este processo. Mas a equipe de Lin observou que quando a célula eletroquímica vira do alto, potencial eletrocatalítico para um baixo, potencial de redução, apenas por um período de dois minutos, os íons de metal dissolvidos se reúnem no catalisador MNF ideal. Isso ocorre devido a uma reversão do gradiente de pH na interface entre o catalisador e a solução eletrolítica.

p "Durante o baixo potencial por dois minutos, demonstramos que não apenas obtemos íons de níquel e ferro depositados de volta no eletrodo, mas misturá-los muito bem e criar sítios catalíticos altamente ativos, "Lin disse." Isso é realmente emocionante, porque reconstruímos os materiais catalíticos na escala de comprimento atômico dentro de uma interface eletroquímica de poucos nanômetros. "

p Outra razão pela qual a reforma funciona tão bem é que o Lin Lab sintetizou o novo MNF como folhas finas que são mais fáceis de remontar do que um material a granel.

p Validando descobertas por meio de raios-X

p Para corroborar esses achados, A equipe de Lin conduziu medições de raios-X síncrotron na Advanced Photon Source do Argonne National Laboratory e na Stanford Synchrotron Radiation Lightsource do SLAC National Accelerator Laboratory. Essas medições usam a mesma premissa básica do raio-X comum de hospital, mas em uma escala muito maior.

p “Queríamos observar o que aconteceu durante todo esse processo, "Kuai disse." Podemos usar imagens de raios-X para ver literalmente a dissolução e redeposição desses ferros de metal para fornecer uma imagem fundamental das reações químicas. "

p As instalações do síncrotron requerem um loop massivo, semelhante ao tamanho do Drillfield em Virginia Tech, que pode realizar espectroscopia de raios-X e imagens em altas velocidades. Isso fornece a Lin altos níveis de dados sob as condições catalíticas de operação. O estudo também fornece insights sobre uma série de outras importantes ciências da energia eletroquímica, como redução de nitrogênio, redução de dióxido de carbono, e baterias de zinco-ar.

p "Além da imagem, numerosas medições espectroscópicas de raios-X nos permitiram estudar como íons metálicos individuais se juntam e formam clusters com diferentes composições químicas, "Lin disse." Isso realmente abriu a porta para sondar reações eletroquímicas em ambientes reais de reação química.