p A transição para uma economia de energia sustentável requer métodos eletrocatalíticos para converter energia elétrica em energia química e matérias-primas. Uma equipe de pesquisadores da TU Berlin, ETH Zurique, o Conselho Nacional de Pesquisa - Instituto de Materiais de Trieste, e liderado pelo FHI agora descobriu o mecanismo de reação de um grande gargalo nesses processos, a reação de evolução de oxigênio. Os resultados são publicados em Natureza . p Evolução eletrocatalítica de oxigênio, a meia-reação crítica da divisão da água, é uma tecnologia fundamental na transição para uma economia de energia renovável. Isto é porque, à medida que aumenta a participação de fontes de energia renováveis ​​não despacháveis ​​(como energia eólica e solar), soluções de armazenamento de energia são necessárias para absorver flutuações de energia intermitentes e garantir um fornecimento de energia confiável. Destes, a conversão de energia elétrica em combustíveis químicos por meio de prótons e elétrons está entre as mais flexíveis, pois os combustíveis químicos podem ser usados ​​quando e onde forem necessários.

p Um grande obstáculo, Contudo, tem encontrado eletrocatalisadores para a conversão concomitante de água em oxigênio molecular, a reação de evolução de oxigênio, que fornece os prótons e elétrons para fazer esses combustíveis. Nos esforços para desenvolver eletrocatalisadores aprimorados, especialistas há muito presumem que a reação de evolução eletrocatalítica de oxigênio pode ser compreendida usando um método bem estabelecido, teoria de décadas desenvolvida para descrever reações de transferência de elétrons não catalíticas. A equipe de pesquisadores decidiu testar essas suposições e, surpreendentemente, descobriu que a reação de evolução do oxigênio é, na verdade, mais semelhante à termocatálise tradicional do que se pensava anteriormente. Isso permite que ferramentas e conceitos desenvolvidos para descrever os catalisadores térmicos tradicionais sejam aplicados a seus equivalentes eletroquímicos pela primeira vez.

p "É importante compreender a ciência básica por trás dos eletrocatalisadores para melhorá-los no futuro. Estava se tornando cada vez mais claro para nós que a imagem tradicional do que impulsiona as reações eletrocatalíticas era incompleta, "explica Peter Strasser, um dos co-autores da Universidade Técnica de Berlim. Ele adicionou, "Os pesquisadores normalmente assumem que a reação de evolução do oxigênio é controlada pela ação direta do potencial elétrico na coordenada da reação. Essa é uma imagem muito diferente da termocatálise, onde a formação de ligações químicas e os controles de quebra passam pela química da superfície."

p Em um estudo publicado em Natureza , a equipe relata como uma das classes mais bem-sucedidas de catalisadores de evolução de oxigênio, óxidos de irídio, opera. Eles realizaram espectroscopia de raios-X operando com base em síncrotron no BESSY II em Berlim e no Petra III em Hamburgo para estudar como os óxidos de irídio se comportam durante a evolução eletrocatalítica do oxigênio. Esses experimentos permitem monitorar simultaneamente o potencial elétrico e a química da superfície. Eles pegaram o que aprenderam nesses experimentos para construir modelos em escala atômica das superfícies do catalisador, que foram usados ​​em simulações de mecânica quântica da reação no High Performance Computing Center em Stuttgart.

p “As simulações mostraram que a taxa de reação depende exponencialmente da cobertura superficial da carga oxidativa, de acordo com as medições, "diz Travis Jones do Instituto Fritz Haber.

p "As simulações também capturaram a mudança na inclinação do Tafel, uma característica chave do óxido de irídio, e atribuiu isso a uma mudança na resposta da carga oxidativa ao potencial, ao invés de uma mudança no mecanismo, como pensado anteriormente, "explica Simone Piccinin, um co-autor do Conselho Nacional de Pesquisa - Instituto de Materiais de Trieste, Itália. Esses estudos levaram os pesquisadores a suspeitar que a reação foi controlada pela química da superfície ao invés do potencial agindo diretamente na coordenada da reação.

p Ao desenvolver um método baseado em laboratório para quantificar o acúmulo de carga, a equipe foi capaz de examinar uma variedade de materiais e descobriu que todos apresentavam o mesmo comportamento. Detre Teschner, do Instituto Fritz Haber, explica:"Parecia que o papel do potencial era oxidar a superfície e que a carga acumulada por meio dessa oxidação estava controlando a taxa de reação muito como na catálise térmica."

p Depois de ver que a carga parecia mediar a taxa eletrocatalítica, os pesquisadores procuraram um meio de controlar a carga do catalisador independentemente do potencial para testar sua descoberta. "Precisávamos de uma maneira química de mudar a quantidade de carga que os catalisadores podiam armazenar e rapidamente percebemos que poderíamos fazer isso substituindo parte do oxigênio da superfície por cloro, uma vez que o cloro não pode ser oxidado para armazenar carga extra, "afirma Javier Pérez-Ramírez da ETH Zürich.

p A equipe de Zurique usou sua experiência em química de halogênio para produzir uma série de catalisadores com quantidades variáveis ​​de cloro. Como esperado, a carga que os catalisadores podiam armazenar variava com a quantidade de cloro neles. Testes eletrocatalíticos desses novos materiais verificaram seu comportamento na reação de evolução de oxigênio e corresponderam às previsões da equipe. "Ver como a mudança na capacidade de um catalisador de armazenar carga alterou de forma previsível sua atividade catalítica nos deu confiança nas descobertas. Esperamos que esse resultado se aplique a uma vasta classe de eletrocatalisadores e planejamos usar esse novo conhecimento para projetar e testar novos materiais, "diz Travis Jones do Instituto Fritz Haber.