As reações eletroquímicas são fundamentais para as transições verdes. Essas reações utilizam corrente elétrica e diferença de potencial para realizar reações químicas, o que permite ligar e realizar energia elétrica a partir de ligações químicas. Esta química é a base para diversas aplicações, como tecnologia de hidrogénio, baterias e vários aspectos da economia circular.



Desenvolvimentos e melhorias nessas tecnologias exigem uma visão detalhada das reações eletroquímicas e dos diferentes fatores que as impactam. Estudos recentes mostraram que, além do material do eletrodo, o solvente utilizado, sua acidez e os íons eletrolíticos utilizados impactam crucialmente a eficiência das reações eletroquímicas.

Portanto, o foco recente mudou para estudar como as interfaces eletroquímicas, por exemplo, o ambiente de reação no eletrodo e a interface do eletrólito impactam o resultado das reações eletroquímicas.

Conversão de dióxido de carbono

Compreender a química interfacial usando apenas métodos experimentais é extremamente difícil, uma vez que eles são muito finos, apenas uma fração de nanômetro. Computacional e teórico são, portanto, cruciais, pois fornecem uma forma precisa de estudar as interfaces eletroquímicas em nível atômico e em função do tempo.

O método de longo prazo e o desenvolvimento da teoria no Departamento de Química da Universidade de Jyväskylä (Finlândia) proporcionaram uma nova compreensão da química das interfaces eletroquímicas, em particular os efeitos dos íons eletrolíticos.

"Nossos dois artigos de pesquisa recentes se concentraram nos efeitos dos íons eletrolíticos nas reações de redução de oxigênio e dióxido de carbono, que determinam a eficiência das células de combustível, a síntese de peróxido de hidrogênio e a conversão de dióxido de carbono em produtos químicos e combustíveis neutros em carbono", diz o Pesquisador da Academia da Finlândia, Marko Melander, do Departamento de Química da Universidade de Jyväskylä.

Combinando resultados experimentais e computacionais

Pesquisadores da Universidade de Jyväskylä colaboraram com grupos experimentais e computacionais para compreender os efeitos dos eletrólitos. O trabalho foi publicado recentemente em revistas, Nature Communications e Angewandte Chemie Edição Internacional .

"Em ambos os estudos, nos concentramos nas propriedades fundamentais e na pesquisa, o que exigiu o uso de experimentos altamente precisos e exigentes e sua combinação com os mais recentes métodos de simulação. Por exemplo, conseguimos, pela primeira vez, combinar experimentos e simulações dos efeitos isotópicos cinéticos da mecânica quântica do hidrogênio para entender a reação de redução do oxigênio. Também desenvolvemos e aplicamos métodos computacionais avançados para simular a reorganização das soluções eletrolíticas aquosas para obter informações detalhadas sobre seu efeito conjunto no mecanismo de reação, "elucida Melander. .

Novos conhecimentos científicos sobre reações eletroquímicas

Esta pesquisa fornece uma imagem atomística de como os eletrólitos impactam as reações eletroquímicas. Um mecanismo identificado é a formação de ligação entre um íon e a molécula reagente.

"Conseguimos mostrar que ambos os íons controlam a estrutura e a dinâmica da superfície do eletrodo e da água interfacial por meio de interações não covalentes. Essas interações bastante fracas determinam o caminho da reação, a taxa e a seletividade e, portanto, controlam a atividade e resultado de reações eletroquímicas", explica Melander.

Possibilidades de desenvolvimento de tecnologias de energia renovável

Embora esta pesquisa tenha se concentrado nos aspectos fundamentais dos sistemas eletroquímicos, ela pode aprimorar o desenvolvimento de tecnologias eletroquímicas aprimoradas.

"A utilização de efeitos de íons e solventes pode fornecer uma maneira de adaptar a reatividade e seletividade das reações eletroquímicas. Por exemplo, o eletrólito pode ser usado para direcionar a reação de redução de oxigênio para aplicações em células de combustível ou de síntese de peróxido de hidrogênio. A química do eletrólito também é um forma eficaz de orientar a redução do dióxido de carbono para os produtos desejados e valiosos", diz Melander.

Mais informações: Xueping Qin et al, Mudanças induzidas por cátions nos mecanismos das esferas interna e externa de redução eletrocatalítica de CO2, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43300-4
Tomoaki Kumeda et al, Cations Determine the Mechanism and Selectivity of Alkaline Oxygen Reduction Reaction on Pt(111)**, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202312841

Informações do diário: Angewandte Chemie Edição Internacional , Comunicações da Natureza

Fornecido pela Universidade de Jyväskylä