Uma equipe de pesquisadores fez avanços significativos na compreensão dos catalisadores de metal-nitrogênio-carbono (M-N-C), oferecendo alternativas aos caros catalisadores de metal do grupo da platina (PGM) e um caminho para um futuro mais verde.



Detalhes de suas descobertas foram publicados no Journal of Materials Chemistry A em 1º de maio de 2024.

O hidrogénio, conhecido como o “combustível do futuro”, oferece inúmeras vantagens na transição para uma economia de baixo carbono. A sua versatilidade permite aplicações em vários setores, incluindo os transportes, onde as células de combustível de hidrogénio podem alimentar veículos, reduzindo assim as emissões de gases com efeito de estufa e mitigando as alterações climáticas. No entanto, persistem desafios significativos na eletrocatálise de oxigénio, dificultando o desenvolvimento de técnicas em larga escala para a geração e utilização de hidrogénio baseadas na eletricidade verde.

Um dos desafios de longa data é a dependência de catalisadores PGM dispendiosos para conduzir a eletrocatálise de oxigênio. Em resposta a esses desafios, os pesquisadores recorreram aos catalisadores M-N-C como uma alternativa promissora.

Relatórios da última década mostraram que os catalisadores M-N-C, dopados com elementos metálicos abundantes na terra, como metais 3d, oferecem desempenho versátil na eletrocatálise de oxigênio, alguns comparáveis ​​aos catalisadores PGM. No entanto, a mecânica exacta por detrás das suas actividades electrocatalíticas continua em falta; fatores-chave, como o potencial de carga zero (PZC) e os efeitos de solvatação, foram negligenciados em estudos anteriores.

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“Estamos num ponto crítico nas tecnologias de energia sustentável”, diz Di Zhang, professor assistente do Instituto Avançado de Pesquisa de Materiais da Universidade de Tohoku e coautor do artigo. "Compreender os fatores que influenciam o desempenho dos catalisadores M-N-C é essencial para a inovação na geração e uso de hidrogênio."

Zhang e seus colegas revelaram que os PZCs e os efeitos de solvatação desempenham um papel fundamental nas atividades dependentes do pH, impactando significativamente a energética da reação.

Ao conduzir amostragem em grande escala por meio de dinâmica molecular ab initio e cálculos da teoria do funcional de densidade, os pesquisadores analisaram doze configurações distintas de M-N-C com modelos de solvatação explícitos. Eles observaram variações substanciais nos PZCs e nos efeitos de solvatação com base nas estruturas do catalisador, tipos de metal e configurações de nitrogênio.

“Nossas descobertas ressaltam a importância de considerar os efeitos do PZC e da solvatação na modelagem microcinética”, acrescenta Zhang. "Este conhecimento é crucial para o projeto racional de catalisadores M-N-C de alto desempenho, acelerando o desenvolvimento de tecnologias sustentáveis ​​de hidrogênio."

Mais informações: Di Zhang et al, O potencial de carga zero e efeitos de solvatação em catalisadores M – N – C de átomo único para eletrocatálise de oxigênio, Journal of Materials Chemistry A (2024). DOI:10.1039/D4TA02285H
Informações do diário: Jornal de Química de Materiais A

Fornecido pela Universidade Tohoku