Uma abordagem integrada para descobrir eletrocatalisadores estáveis e de baixo custo
Um fluxo de trabalho do processo de mineração de dados para identificar óxidos metálicos estáveis aquosos (MOs). a) Fluxograma do processo de mineração de dados para identificação de MOs estáveis do banco de dados do Materials Project. b) O número de MOs após cada etapa de triagem e c) MOs estáveis em massa classificados pelo número de elementos metálicos. d) O número de MOs estáveis aquosos sob diferentes condições. Crédito:Hao Li e outros Um grupo de pesquisadores investigou se a mineração de dados poderia acelerar a identificação de eletrocatalisadores de óxido metálico de baixo custo, acelerando a transição mundial dos combustíveis fósseis.
Detalhes da pesquisa foram publicados na revista Advanced Science em 7 de dezembro de 2023.
A dependência mundial dos combustíveis fósseis levou os cientistas a explorar fontes de energia renováveis. As tecnologias de conversão eletroquímica, como a alimentação de células de combustível, a eletrólise da água e as baterias metal-ar, oferecem estratégias promissoras para a transição para um futuro energético sustentável. No entanto, a dependência de metais preciosos em muitas reações eletrocatalíticas coloca desafios económicos e ambientais.
Os óxidos metálicos têm o potencial de mudar esta situação devido à sua estabilidade e menor custo do que os metais preciosos, particularmente sob condições eletrocatalíticas alcalinas. No entanto, a busca por esses óxidos metálicos exige muitos recursos, com os cientistas contando com o processo de tentativa e erro.
"Sendo a mineração de dados uma solução viável para este problema, decidimos investigar as oportunidades e os desafios da adoção desta estratégia para encontrar óxidos metálicos", diz Hao Li, professor associado do Instituto Avançado de Pesquisa de Materiais da Universidade de Tohoku (WPI-AIMR) e autor correspondente do artigo. Atividade ORR e estabilidade em eletrólitos ácidos e alcalinos. a) curvas ORR LSV eb) o número de transferência de elétrons calculado (n) e H2 O2 Eficiência faradaica obtida em eletrólitos ácidos e alcalinos. c) Curvas cronopotenciométricas do catalisador em diferentes eletrólitos coletados por 12 h. Crédito:Hao Li e outros Para fazer isso, Li, junto com seus colegas, aproveitou os extensos dados disponíveis no banco de dados do Materials Project, identificando 68 eletrocatalisadores de óxido metálico estáveis e promissores sob condições específicas.
Eles observaram que o banco de dados promoveu Sb2 WO6 como um óxido metálico estável em ácido. Isto é baseado no diagrama de estabilidade aquosa – uma representação gráfica que ilustra a estabilidade termodinâmica de diferentes espécies químicas em uma solução aquosa em função do pH e do potencial elétrico. De acordo com o diagrama, Sb2 WO6 é estável sob a reação de redução de oxigênio (ORR) em meio ácido, mas bastante instável sob condições de ORR de pH alto. No entanto, os pesquisadores descobriram que isso contradizia observações experimentais subsequentes em condições alcalinas de ORR.
Outras caracterizações pós-catálise, análises eletroquímicas do estado da superfície e modelagem microcinética acoplada ao campo de pH revelaram que o Sb2 WO6 a superfície sofre passivação eletroquímica sob potenciais ORR e forma uma superfície estável e ativa 4e-ORR. Caracterização do teste pós-estabilidade e insights teóricos. a) Padrões de XRD. A inserção mostra uma região ampliada do pico (310). Espectros XPS de alta resolução nas regiões b) Sb 4d + W 4f e c) Sb 3d + O 1s. Imagem HR-TEM e resultados de mapeamento elementar EDX do catalisador pós-teste em d) eletrólitos ácidos e e) alcalinos. A barra de escala para resultados de mapeamento EDX é 50 nm. f) A superfície imaculada estequiométrica de Sb2WO6 (100) e seu estado de superfície induzido por eletroquímica identificado sob condições ORR de diferentes visões. g) Diagrama de Pourbaix de superfície calculada de Sb2WO6. h) modelagem microcinética dependente de pH do processo ORR a 0,8 VRHE. Crédito:Hao Li et al. No geral, as conclusões do estudo indicam que, embora a mineração de dados seja promissora, é necessário um maior refinamento para uma adoção generalizada. "É necessário desenvolver uma estratégia refinada que leve em consideração a estabilidade e atividade da superfície induzida pela eletroquímica", enfatizou Li.
No futuro, os pesquisadores esperam explorar outros eletrocatalisadores para a reação de evolução do oxigênio e a reação de evolução do hidrogênio, combinando mineração de dados, análise do estado da superfície e análise de atividade.
Mais informações: Xue Jia et al, Identificando eletrocatalisadores estáveis inicializados por mineração de dados:Sb2WO6 para redução de oxigênio, Ciência Avançada (2023). DOI:10.1002/advs.202305630 Informações do diário: Ciência Avançada
