Novo material abre possibilidade de converter poluentes da água em gás hidrogênio
Resumo. A exploração de eletrocatalisadores reativos e seletivos à base de Ni para a reação de oxidação da uréia (UOR) é crucial para o desenvolvimento de tecnologias de conversão de energia relacionadas à uréia. Aqui, as interações sinérgicas em óxidos/hidróxidos mistos de Ni/Co melhoraram o UOR com baixo potencial de início, cinética de reação rápida e boa seletividade contra a reação de evolução de oxigênio (OER). Nossas medições eletroquímicas e cálculos teóricos significaram a interação colaborativa de heteroestruturas mistas de óxido/hidróxido de Ni/Co para aumentar a atividade de UOR. Nossos resultados mostraram que Ni
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espécies, formadas com alto potencial anódico, produziram uma alta corrente anódica principalmente a partir de REA indesejados. Em vez disso, as heteroestruturas Ni/Co com Ni
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dominante e Co
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as espécies permaneceram estáveis em baixo potencial anódico e exibiram corrente anódica atribuída exclusivamente ao UOR. Este trabalho destaca a importância de ajustar as cargas de valência para projetar eletrocatalisadores UOR seletivos e de alto desempenho para beneficiar a remediação ambiental do escoamento de uréia e permitir a eletrólise da uréia para a produção de hidrogênio, substituindo OER convencional por UOR no ânodo. Crédito:The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c03257 Os pesquisadores do WPI desenvolveram um material para remover a uréia da água e potencialmente convertê-la em gás hidrogênio. Ao construir esses materiais de átomos de níquel e cobalto com estruturas eletrônicas cuidadosamente adaptadas, o grupo desbloqueou o potencial para permitir que esses óxidos e hidróxidos de metais de transição oxidem seletivamente a ureia em uma reação eletroquímica.
O estudo, liderado por Xiaowei Teng, professor de Engenharia Química James H. Manning no WPI, foi publicado no Journal of Physical Chemistry Letters. e destacado na capa complementar da publicação.
O desafio de remover a uréia da água
A uréia é um fertilizante agrícola nitrogenado de baixo custo e um produto natural do metabolismo humano. O escoamento agrícola rico em uréia e a descarga de águas residuais municipais causam a proliferação de algas prejudiciais à eutrofização e zonas mortas hipóxicas que impactam negativamente o ambiente aquático e a saúde humana.
Ao mesmo tempo, as características únicas da ureia tornam-na num potencial meio de armazenamento de hidrogénio que poderia oferecer uma produção viável de hidrogénio a pedido. Por exemplo, a ureia não é tóxica, tem alta solubilidade em água e alto teor de hidrogênio (6,7% em peso). Assim, a eletrólise da ureia para a produção de hidrogénio é mais eficiente em termos energéticos e económica do que a eletrólise da água.
O ponto fraco da eletrólise da ureia sempre foi a falta de eletrocatalisadores de baixo custo e altamente eficientes que oxidam seletivamente a ureia em vez da água, mas Teng e sua equipe encontraram uma solução:fabricar eletrocatalisadores que consistem em átomos de níquel e cobalto interagidos sinergicamente com estruturas eletrônicas únicas. para eletrooxidação seletiva da uréia.
Desbloqueando seletividade e atividade aprimoradas
O estudo da equipe do WPI centrou-se em óxidos e hidróxidos homogêneos de níquel e cobalto. Os pesquisadores descobriram que a chave para melhorar sua atividade eletroquímica e seletividade à oxidação da ureia está na adaptação das estruturas eletrônicas únicas com Ni
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dominante. e Co
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espécies.
"Esta configuração eletrônica é um fator fundamental para melhorar a seletividade da oxidação da ureia porque observamos que maior valência do níquel, como Ni
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, de fato ajuda a produzir uma reação rápida com forte saída de corrente elétrica; no entanto, uma grande parte da corrente foi proveniente da oxidação indesejada da água", disse Teng.
Para entender melhor esse efeito, o grupo de Teng colaborou com Aaron Deskins, professor de engenharia química do WPI. Deskins realizou as simulações computacionais e descobriu que a mistura homogênea de óxidos e hidróxidos de níquel e cobalto beneficiou a redistribuição de elétrons do Ni
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para Co
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espécies e mudando os elétrons de valência para energias mais altas, de modo que os catalisadores de Ni/Co estavam melhor preparados para participar da ligação com moléculas de uréia e água.
Candidaturas e perspectivas futuras
Importante fertilizante de nitrogênio e aditivo alimentar, a ureia foi produzida comercialmente já na década de 1920; cerca de 180 milhões de toneladas foram produzidas em 2021. A uréia pode ser derivada de fontes naturais; um ser humano adulto produz 1,5 L de urina diariamente, equivalente a 11 kg de uréia e 0,77 kg de gás hidrogênio anualmente.
As descobertas da equipe poderiam ajudar a usar a ureia em fluxos de resíduos para produzir combustível de hidrogênio de forma eficiente através do processo de eletrólise, e poderiam ser usadas para sequestrar a ureia da água, mantendo a sustentabilidade a longo prazo dos sistemas ecológicos e revolucionando o nexo água-energia.
Mais informações: Tongxin Zhou et al, Atividade eletrocatalítica de oxidação de uréia aprimorada por óxidos mistos sinérgicos de cobalto e níquel, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c03257 Informações do diário: Jornal de Cartas de Físico-Química
