A eletrólise é um processo que usa eletricidade para criar moléculas de hidrogênio e oxigênio a partir da água. O uso de membrana de troca de prótons (PEM) e energia renovável para eletrólise da água é amplamente considerado um método sustentável para a produção de hidrogênio. No entanto, um desafio no avanço da tecnologia de eletrólise de água PEM é a falta de catalisadores eficientes, de baixo custo e estáveis ​​para a reação de evolução de oxigênio (OER) em soluções ácidas durante a eletrólise de água PEM.



Embora os catalisadores à base de irídio sejam uma solução potencial, o irídio metálico é raro e caro por natureza. Alternativamente, óxidos de rutênio (RuO₂ ) oferecem uma opção mais acessível e reativa, mas também sofrem de problemas de estabilidade. Portanto, os pesquisadores estão explorando maneiras de melhorar a estabilidade do RuO₂ estrutura para desenvolver catalisadores REA promissores para a implementação bem-sucedida da tecnologia de produção de hidrogênio.

Agora, em um estudo recente publicado no Journal of Energy Chemistry , um grupo de pesquisadores, liderado pelo professor Haeseong Jang, do Departamento de Engenharia de Materiais Avançados da Universidade Chung-Ang, desenvolveu um catalisador REA promissor.

Denotado como SA Zn-RuO₂ , o catalisador compreende RuO₂ estabilizado por átomos únicos de zinco. Elaborando seu estudo, o Prof. Jang diz:"Fomos motivados pela necessidade de encontrar eletrocatalisadores alternativos eficientes e econômicos para REA na eletrólise de água PEM. Com base em nosso estudo, propomos uma estratégia de engenharia dupla envolvendo dopagem com Zn de átomo único e a introdução de vagas de oxigênio para equilibrar a alta atividade catalítica com estabilidade durante REA ácidos."

Os pesquisadores sintetizaram SA Zn-RuO₂ aquecendo uma estrutura orgânica com átomos de rutênio (Ru) e zinco, formando uma estrutura com vacâncias de oxigênio (átomos de oxigênio ausentes que alteram positivamente as propriedades) e ligações Zn-O-Ru.

Essas ligações estabilizam o catalisador de duas maneiras:fortalecendo as ligações Ru-O e fornecendo elétrons dos átomos de zinco para proteger o rutênio da superoxidação durante o processo REA. Além disso, o ambiente electrónico melhorado em torno dos átomos de ruténio reduz as energias necessárias para as moléculas aderirem à superfície, diminuindo assim a barreira energética para a reacção.

O catalisador resultante foi mais estável, sem queda aparente na reatividade, e superou significativamente o RuO2 comercial. . Além disso, exigiu menos energia extra (baixo sobrepotencial de 213 mV em comparação com 270 mV para RuO comercial₂ ) e permaneceu funcional por um período mais longo (43 horas em comparação com 7,4 horas para RuO comercial₂ ).

Devido à sua estabilidade e recursos aprimorados, o recém-proposto SA Zn-RuO₂ O catalisador tem o potencial de influenciar o desenvolvimento de eletrocatalisadores econômicos, ativos e resistentes a ácidos para REA. Isto, por sua vez, poderia ajudar a reduzir custos e aumentar a produção de hidrogénio verde, auxiliando na mudança para fontes de energia mais limpas e nos avanços em tecnologias sustentáveis.

"Acreditamos que esta mudança pode revolucionar as indústrias, os transportes e as infraestruturas energéticas e contribuir para os esforços destinados a combater as alterações climáticas e promover um futuro mais resiliente e ambientalmente consciente. Isto porque o hidrogénio verde acessível pode ter um impacto transformador nas sociedades, mitigando impactos ambientais, criando empregos e garantindo a segurança energética através de soluções energéticas diversificadas e sustentáveis", explica o Prof. Jang.

Em resumo, o RuO₂ altamente reativo e cataliticamente estável O catalisador para o REA ácido aumentou a durabilidade e características favoráveis ​​​​e tem potencial para orientar o projeto de eletrocatalisadores REA robustos e ativos não à base de irídio para aplicações práticas.

Mais informações: Qing Qin et al, Ajustando a estrutura eletrônica do RuO₂ por um único átomo de Zn e vagas de oxigênio para aumentar a reação de evolução de oxigênio em meio ácido, Journal of Energy Chemistry (2023). DOI:10.1016/j.jechem.2023.09.010
Fornecido pela Universidade Chung Ang