O campo em rápido desenvolvimento da energia verde procura constantemente melhorias, e os recentes avanços nos catalisadores de átomos duplos têm o potencial de revolucionar as tecnologias de conversão de energia.



Na procura de alternativas sustentáveis ​​às fontes de energia baseadas no carbono, a necessidade de tecnologias rápidas, eficientes e escaláveis ​​é crucial. Os sistemas de divisão de água (WWSs), que dependem de baterias movidas a energia solar, oferecem uma solução promissora. No entanto, as etapas de reação lentas e complexas inerentes aos WWS limitam a sua escalabilidade para uso generalizado.

Pesquisadores do Instituto Qingdao de Bioenergia e Tecnologia de Bioprocessos da Academia Chinesa de Ciências buscaram um projeto aprimorado para aumentar a velocidade e a estabilidade das principais semi-reações necessárias para que os WSSs funcionassem em alto calibre:reações de redução de oxigênio, reações de evolução de oxigênio e reações de evolução do hidrogênio.

Acontece que os catalisadores de átomo duplo, unindo catalisadores de átomo único e nanopartículas de metal/liga, oferecem mais oportunidades para melhorar a cinética e o desempenho multifuncional das reações de redução/evolução de oxigênio e de evolução de hidrogênio.

Seus resultados foram publicados na Nature Communications .

"As reações de redução/evolução de oxigênio e de evolução de hidrogênio são as reações centrais, envolvendo processos de acoplamento multipróton-elétron, que são cineticamente lentos, por isso é urgente desenvolver materiais eletrocatalíticos eficientes, estáveis ​​e de baixo custo para melhorar sua eficiência de conversão, " disse Jiang Heqing, autor correspondente do estudo.

Catalisadores de átomo duplo (DACs), em contraste com catalisadores de átomo único (SACs), que possuem apenas um átomo de metal por sítio ativo, desempenham um papel fundamental no campo da catálise energética devido à sua vantajosa atividade catalítica multifuncional, maior eficiência de utilização atômica, e ruptura mais eficaz da relação linear com intermediários de reação.

Além disso, a aplicação de SACs a sistemas de conversão de energia limitará significativamente a eficiência da conversão de energia devido às barreiras de reacção mais elevadas.

Os DACs se beneficiam do efeito sinérgico entre seus átomos metálicos duplos, permitindo a modulação eficaz dos efeitos cooperativos entre os sítios ativos duplos e uma redução substancial nas barreiras energéticas necessárias para a reação.

Com base nas vantagens dos DACs, explorar o seu mecanismo de síntese através de estratégias de sinterização a alta temperatura é crucial para avançar na sua preparação e facilitar as aplicações comerciais.

"Relatamos uma nova estratégia de atomização/sinterização para sintetizar e ajustar os estados de configuração das espécies de cobalto (Co) em nível atômico, de nanopartículas a átomo único e átomo duplo, "disse Huang Minghua, outro autor e pesquisador que contribuiu para o estudo.

A estratégia de atomização/sinterização envolve a conversão de cobalto em nanopartículas (atomização), que são então usadas para formar espécies de átomo único (SA) e átomo duplo (DA) através do processo de sinterização.

Uma das características mais impressionantes desta estratégia e as descobertas desta pesquisa são as aplicações que a atomização/sinterização pode ter para fazer outros 21 DACs. Tudo isso graças à observação de como esses DACs se formam por meio do processo de atomização/sinterização. Quanto mais CAD existirem, mais oportunidades estarão disponíveis para explorar outros meios para aproveitar melhor a energia de forma sustentável.

Testando as capacidades do Co₂ de átomo duplo N₅ em baterias de zinco-ar mostraram resultados promissores. As baterias Zn-ar tinham estabilidade de 800 horas e permitiam a divisão contínua da água por 1.000 horas seguidas, demonstrando o potencial de operação ininterrupta mesmo durante a noite.

O trabalho nos DACs está em andamento. "Esta estratégia universal e escalonável oferece oportunidades para o projeto controlado de catalisadores multifuncionais eficientes de átomos duplos em tecnologias de conversão de energia", disse Jiang Heqing.

Novos desenvolvimentos podem ser feitos para continuar melhorando as capacidades dos catalisadores bimetálicos. Ver como eles funcionam em diferentes circunstâncias também pode ser instrutivo, como a forma como o sistema de divisão de água lida com temperaturas frias ou com a água do mar. Colocar estes sistemas em condições adversas pode evidenciar dificuldades que precisam de ser resolvidas e que podem ser um obstáculo à utilização em larga escala ou comercial.

Mais informações: Xingkun Wang et al, Desenvolvendo uma classe de materiais de átomos duplos para reações catalíticas multifuncionais, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42756-8
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pela Academia Chinesa de Ciências