As preocupações com o aumento dos níveis de dióxido de carbono atmosférico e o aquecimento global tornaram um imperativo ambiental substituir os combustíveis fósseis por alternativas mais limpas e sustentáveis. Nesse sentido, o hidrogênio, uma fonte de energia limpa, surgiu como um excelente candidato em potencial.
Entre os vários métodos disponíveis para geração de hidrogênio, a separação da água usando eletricidade na presença de um catalisador – ou separação eletrocatalítica da água, como é chamada – é a mais limpa. Infelizmente, o processo requer catalisadores de metais nobres caros e raros, como a platina, para manter uma eficiência razoável. Isso, por sua vez, limitou suas aplicações industriais em larga escala.

Uma opção relativamente barata são os catalisadores à base de metais de transição, como óxidos, sulfetos, hidróxidos de cobalto, níquel, ferro etc. No entanto, há um porém:a separação eletrocatalítica da água consiste em duas semi-reações, a saber, a reação de evolução de hidrogênio ( HER) e a reação de evolução de oxigênio (OER). Em OER, as moléculas de água são oxidadas para formar íons de oxigênio e hidrogênio positivo no ânodo (eletrodo carregado positivamente). Os íons de hidrogênio então se movem através do eletrólito para o cátodo (o eletrodo carregado negativamente), onde são reduzidos para produzir hidrogênio (HER). Acontece que a maioria dos catalisadores baseados em metais de transição relatados até agora só podem catalisar HER ou OER. Isso cria uma configuração complicada e um custo geral mais alto.

Nesse contexto, pesquisadores da Universidade Chung-Ang na Coréia desenvolveram, em um novo estudo, um novo catalisador heteroestruturado que consiste em sulfeto de cobalto oco (CoS_x ) e nanofolhas de hidróxido duplo (LDH) em camada de níquel-ferro (NiFe) que simultaneamente aumenta ambas as semi-reações. Este artigo foi disponibilizado on-line em 15 de março de 2022 e foi publicado no Volume 18 Edição 16 da revista Small em 16 de abril de 2022.

"Uma estratégia razoável para fabricar catalisadores altamente eficientes para separação de água é integrar de forma elaborada os catalisadores NiFe LDH e HER ativos em uma heteroestrutura", explica o professor assistente Seung-Keun Park, que liderou o estudo. "Dada sua alta área de superfície e estrutura aberta, acredita-se que os catalisadores HER ocos sejam ideais para este trabalho. Acontece que as estruturas metal-orgânicas (MOFs) são um precursor eficiente para a fabricação de estruturas ocas. No entanto, um catalisador oco baseado em MOF com NiFe LDH não foi relatado até agora."

Assim, os pesquisadores depositaram eletroquimicamente nanofolhas de NiFe LDH de maneira controlada na superfície do CoS oco_x nanoarrays suportados em espuma de níquel. "A integração de um catalisador HER ativo, CoS_x e um catalisador OER, NiFe LDH, garante uma atividade catalítica bifuncional superior", diz Dr. Park.

E, de fato, o catalisador foi capaz de fornecer consistentemente uma alta densidade de corrente de 1.000 mA cm ^-2 em ambas as semi-reações em baixas tensões de célula, sugerindo sua viabilidade para aplicações de divisão de água em escala industrial. Os pesquisadores atribuíram isso à presença de amplos sítios ativos na heteroestrutura do catalisador, o que permitiu a penetração de eletrólitos e a liberação de gás durante as reações. Além disso, um eletrolisador baseado neste catalisador demonstrou uma alta densidade de corrente de 300 mA cm ^-2 a uma baixa tensão de célula e uma durabilidade de 100 horas na divisão geral da água.

"As propriedades eletrocatalíticas aprimoradas de nosso catalisador provavelmente se devem à sua heteroestrutura hierárquica única e à sinergia entre seus componentes. Acreditamos que nosso trabalho nos levará um passo mais perto de realizar uma sociedade de emissão zero", diz Dr. Park. + Explorar mais

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