A eletrólise da água é uma abordagem promissora para gerar hidrogênio por meio da transformação de energia elétrica alimentada por energia sustentável em energia química armazenada em ligações de hidrogênio.



Devido à menor temperatura de operação, maior eficiência de tensão, maiores densidades de corrente e melhor compatibilidade em relação aos eletrolisadores alcalinos tradicionais, o eletrolisador de água com membrana de troca de prótons (PEMWE) emergiu como uma tecnologia promissora para a geração de hidrogênio verde.

No entanto, a reação de evolução de oxigênio anódico (OER) com cinética de reação lenta geralmente requer consumo excessivo de energia, o que limita significativamente a eficiência do PEMWE. Atualmente, o óxido de irídio (IrO₂ ), que pode sofrer condições altamente oxidativas e corrosivas, tem sido considerado o catalisador anódico de última geração para PEMWE. No entanto, o alto custo associado à atividade de baixa massa dificulta estritamente a utilização em escala.

Portanto, projetar e explorar catalisadores econômicos com alto desempenho eletrocatalítico e estabilidade em relação a REA ácidos são de grande urgência, mas ainda permanecem um desafio.

Recentemente, o óxido de rutênio (RuO₂ ) é considerada uma alternativa promissora ao IrO₂ para REA ácidos devido à sua alta atividade intrínseca e baixo preço.

Sabe-se que aumentando o estado de oxidação inicial do Ru em RuO₂ promover a oxidação ativa centrada no Ru é uma estratégia eficaz para melhorar o desempenho eletrocatalítico. Para este fim, grandes esforços têm sido dedicados à dopagem de elementos estrangeiros para ajustar o estado de valência do Ru em RuO₂ -baseados em catalisadores, levando a uma atividade muito melhorada.

No entanto, a fácil superoxidação dos sítios Ru para formar RuO solúvel₄ ^2- espécies com alto potencial durante o processo de REA geralmente resultam no colapso da estrutura cristalina e na dissolução das espécies de Ru, que é a razão para a estabilidade insatisfeita a longo prazo do RuO₂ para REA ácidos.

Assim, desenvolvendo uma estratégia eficiente para equilibrar a relação gangorra entre estabilidade e atividade do RuO₂ catalisadores baseados em PEMWE são essenciais para a aplicação prática do PEMWE, mas desafiadores.

Recentemente, uma equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Wei Luo da Universidade de Wuhan, China, desenvolveu um RuO₂ modificado catalisador com dopagem com bismuto (Bi) (Bi_0,15 Ru_0,85 O₂ ) para aumentar simultaneamente a atividade e a estabilidade em relação aos REA ácidos. Espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) e Ru L_2,3 Os espectros de estrutura próxima à borda de absorção de raios X (XANES) demonstram o aumento do estado de oxidação inicial de Ru em Bi_0,15 Ru_0,85 O₂ após Bidoping.

Experimentos eletroquímicos, espectroscopia de fotoemissão ultravioleta (UPS) e espectroscopia ultravioleta-visível (UV) indicaram caracterizações de espectros que revelam transferência de elétrons muito mais rápida e melhor eletrocondutibilidade em Bi_0,15 Ru_0,85 O₂ .

Testes de energia de ativação aparente e resultados de cálculo da teoria do funcional de densidade (DFT) sugerem que a introdução de Bi pode efetivamente reduzir tanto a energia de ativação aparente quanto a barreira de energia da etapa determinante da taxa de O* a OOH*, levando assim a uma atividade muito melhorada, com um sobrepotencial baixo de 200,0 mV a 10 mA cm ^-2 , bem como estabilidade a longo prazo acima de 100 horas.

As descobertas foram publicadas no Chinese Journal of Catalysis .

Mais informações: Liqing Wu et al, Um RuO Bi-dopado₂ catalisador para oxidação de água ácida eficiente e durável, Chinese Journal of Catalysis (2023). DOI:10.1016/S1872-2067(23)64554-1
Fornecido pela Academia Chinesa de Ciências