p Quando o hidrogênio é consumido em uma célula de combustível, que leva a molécula de água H ₂ O e o separa em oxigênio e hidrogênio, um processo chamado eletrólise, produz apenas água, eletricidade e calor. Como uma fonte de energia com zero de carbono, a gama de seu uso potencial é ilimitada no transporte, comercial, industrial, aplicações residenciais e portáteis. p Enquanto os processos tradicionais de produção de hidrogênio exigiam combustíveis fósseis ou CO ₂ , a eletrólise produz "hidrogênio verde" a partir das moléculas de água. Uma vez que a água não pode ser dividida em hidrogênio e oxigênio por si mesma, a conversão eletroquímica de hidrogênio-água precisa de eletrocatalisadores altamente ativos. A eletrólise convencional da água, Contudo, enfrenta desafios tecnológicos para melhorar a eficiência da reação de divisão da água para a reação de evolução lenta de oxigênio. Óxido de rutênio à base de metal nobre (RuO ₂ ) e óxido de irídio (IrO ₂ ) são usados ​​para aumentar a taxa de geração de oxigênio. Contudo, esses catalisadores de metal nobre são caros e apresentam baixa estabilidade em operação de longo prazo.

p Liderado pelo Diretor Associado LEE Hyoyoung do Center for Integrated Nanostructure Physics do Institute for Basic Science (IBS) localizado na Sungkyunkwan University, a equipe de pesquisa IBS desenvolveu um eletrocatalisador altamente eficiente e de longa duração para a oxidação da água usando cobalto, ferro e uma quantidade mínima de rutênio.

p "Usamos copolímeros em bloco anfifílicos para controlar a atração eletrostática em nossa liga bimetálica de átomo de rutênio (Ru). Os copolímeros facilitam a síntese de aglomerados esféricos de moléculas de hidrocarbonetos cujos segmentos solúveis e insolúveis formam o núcleo e a casca. Neste estudo, sua tendência para uma estrutura química única permite a síntese da liga de Ru atômica única de alto desempenho presente no topo do compósito metálico de ferro cobalto (Co-Fe) estável cercado por poros, escudo de carbono grafítico e defeituoso, "diz LEE Jinsun e Kumar Ashwani, os co-primeiros autores do estudo.

p "Ficamos muito entusiasmados em descobrir que o oxigênio da superfície pré-adsorvido na superfície da liga de Co-Fe, absorvido durante o processo de síntese, estabiliza um dos intermediários importantes (OOH) durante a reação de geração de oxigênio, aumentando a eficiência geral da reação catalítica. O oxigênio da superfície pré-absorvido foi de pouco interesse até nossa descoberta, "diz o diretor associado Lee, o autor correspondente do estudo. Os pesquisadores descobriram que o recozimento de quatro horas a 750 graus C em uma atmosfera de argônio é a condição mais apropriada para o processo de geração de oxigênio. Além do ambiente favorável à reação na superfície do metal hospedeiro, o único átomo de Ru, onde ocorre a geração de oxigênio, também cumpre seu papel, reduzindo a barreira de energia, aumentando sinergicamente a eficiência da evolução do oxigênio.

p A equipe de pesquisa avaliou a eficiência catalítica com as métricas de sobretensão necessárias para a reação de evolução de oxigênio. O eletrocatalisador nobre avançado exigia apenas uma sobretensão de 180 mV (milivolt) para atingir uma densidade de corrente de 10 mA (miliampere) por cm ² de catalisador, enquanto o óxido de rutênio precisava de 298 mV. Além disso, o único átomo de Ru-liga bimetálica mostrou estabilidade de longo prazo por 100 horas sem qualquer mudança de estrutura. Além disso, a liga de cobalto e ferro com carbono grafítico também compensou a condutividade elétrica e aumentou a taxa de evolução de oxigênio.

p O diretor associado Lee diz:"Este estudo nos leva um passo mais perto de um sistema livre de carbono, economia verde do hidrogênio. Este eletrocatalisador de geração de oxigênio altamente eficiente e barato nos ajudará a superar os desafios de longo prazo do processo de refino de combustível fóssil:produzir hidrogênio de alta pureza para aplicações comerciais a um preço baixo e de maneira ecologicamente correta. "

p O estudo foi publicado online em 4 de novembro na revista Energia e Ciência Ambiental .