A transição de combustíveis fósseis para uma economia de hidrogênio limpo exigirá maneiras mais baratas e eficientes de usar fontes renováveis ​​de eletricidade para transformar a água em hidrogênio e oxigênio.

Mas uma etapa fundamental nesse processo, conhecida como reação de evolução de oxigênio ou REA, provou ser um gargalo. Hoje é apenas cerca de 75% eficiente, e os catalisadores de metais preciosos usados ​​para acelerar a reação, como platina e irídio, são raros e caros.

Agora, uma equipe internacional liderada por cientistas da Universidade de Stanford e do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia desenvolveu um conjunto de ferramentas avançadas para romper esse gargalo e melhorar outros processos relacionados à energia, como encontrar maneiras de fazer as baterias de íon de lítio carregarem mais rápido. A equipe de pesquisa descreveu seu trabalho na Nature hoje.

Trabalhando em Stanford, SLAC, Lawrence Berkeley National Laboratory do DOE (Berkeley Lab) e Warwick University no Reino Unido, eles foram capazes de ampliar nanopartículas de catalisador individuais - em forma de placas minúsculas e cerca de 200 vezes menores do que um glóbulo vermelho - e observá-los acelerar a geração de oxigênio dentro de células eletroquímicas personalizadas, incluindo um que cabe dentro de uma gota d'água.

Eles descobriram que a maior parte da atividade catalítica ocorreu nas bordas das partículas, e eles foram capazes de observar as interações químicas entre a partícula e o eletrólito circundante em uma escala de bilionésimos de um metro enquanto aumentavam a voltagem para impulsionar a reação.

Ao combinar suas observações com o trabalho computacional anterior realizado em colaboração com o Instituto SUNCAT para Ciência de Interface e Catálise em SLAC e Stanford, eles foram capazes de identificar uma única etapa na reação que limita a rapidez com que ela pode prosseguir.

"Este conjunto de métodos pode nos dizer onde, o que e por que de como esses materiais eletrocatalíticos funcionam em condições operacionais realistas, "disse Tyler Mefford, um cientista da equipe de Stanford e do Instituto Stanford de Materiais e Ciências da Energia (SIMES) no SLAC que liderou a pesquisa. "Agora que descrevemos como usar esta plataforma, as aplicações são extremamente amplas. "

Escalando para uma economia de hidrogênio

A ideia de usar eletricidade para quebrar a água em oxigênio e hidrogênio remonta a 1800, quando dois pesquisadores britânicos descobriram que poderiam usar a corrente elétrica gerada pela bateria de pilha recém-inventada de Alessandro Volta para alimentar a reação.

Este processo, chamada eletrólise, funciona como uma bateria ao contrário:em vez de gerar eletricidade, ele usa corrente elétrica para dividir a água em hidrogênio e oxigênio. As reações que geram gás hidrogênio e oxigênio ocorrem em diferentes eletrodos usando diferentes catalisadores de metais preciosos.

O gás hidrogênio é uma importante matéria-prima química para a produção de amônia e refino de aço, e está cada vez mais sendo apontado como combustível limpo para transporte pesado e armazenamento de energia de longo prazo. Mas mais de 95% do hidrogênio produzido hoje vem do gás natural por meio de reações que emitem dióxido de carbono como subproduto. Geração de hidrogênio por meio da eletrólise da água movida pela eletricidade solar, vento, e outras fontes sustentáveis ​​reduziriam significativamente as emissões de carbono em várias indústrias importantes.

Mas para produzir hidrogênio combustível a partir da água em escala grande o suficiente para impulsionar uma economia verde, os cientistas terão que tornar a outra metade da reação de divisão da água - aquela que gera oxigênio - muito mais eficiente, e encontrar maneiras de fazê-lo funcionar com catalisadores baseados em metais muito mais baratos e abundantes do que os usados ​​hoje.

"Não há metais preciosos suficientes no mundo para alimentar essa reação na escala de que precisamos, "Mefford disse, "e seu custo é tão alto que o hidrogênio que geram nunca poderia competir com o hidrogênio derivado de combustíveis fósseis."

Melhorar o processo exigirá uma compreensão muito melhor de como funcionam os catalisadores de divisão de água, em detalhes suficientes para que os cientistas possam prever o que pode ser feito para melhorá-los. Até agora, muitas das melhores técnicas para fazer essas observações não funcionaram no ambiente líquido de um reator eletrocatalítico.

Neste estudo, os cientistas encontraram várias maneiras de contornar essas limitações e obter uma imagem mais nítida do que nunca.

Novas maneiras de espionar catalisadores

O catalisador que eles escolheram para investigar foi o oxihidróxido de cobalto, que veio na forma plana, cristais de seis lados chamados nanoplacas. As bordas eram afiadas e extremamente finas, portanto, seria fácil distinguir se uma reação estava ocorrendo nas bordas ou na superfície plana.

Cerca de uma década atrás, O grupo de pesquisa de Patrick Unwin da Universidade de Warwick inventou uma nova técnica para colocar uma célula eletroquímica em miniatura dentro de uma gota em nanoescala que se projeta da ponta de um tubo de pipeta. Quando a gota é colocada em contato com uma superfície, o dispositivo faz imagens da topografia da superfície e das correntes eletrônicas e iônicas com altíssima resolução.

Para este estudo, A equipe de Unwin adaptou este minúsculo dispositivo para funcionar no ambiente químico da reação de evolução do oxigênio. Os pesquisadores de pós-doutorado Minkyung Kang e Cameron Bentley moveram-no de um lugar para outro através da superfície de uma única partícula de catalisador enquanto a reação ocorria.

"Nossa técnica nos permite ampliar para estudar regiões extremamente pequenas de reatividade, "disse Kang, que conduziu os experimentos lá. "Estamos olhando para a geração de oxigênio em uma escala mais de cem milhões de vezes menor do que as técnicas típicas."

Eles descobriram que, como é frequentemente o caso para materiais catalíticos, apenas as bordas estavam promovendo ativamente a reação, sugerindo que os catalisadores futuros devem maximizar este tipo de afiação, recurso fino.

Enquanto isso, Andrew Akbashev, pesquisador de Stanford e SIMES, usou microscopia de força atômica eletroquímica para determinar e visualizar exatamente como o catalisador mudou de forma e tamanho durante a operação, e descobriu que as reações que inicialmente mudaram o catalisador para seu estado ativo eram muito diferentes do que se supunha anteriormente. Em vez de prótons deixando o catalisador para iniciar a ativação, íons hidróxido se inseriram no catalisador primeiro, formando água dentro da partícula que a fez inchar. Conforme o processo de ativação prosseguia, essa água e os prótons residuais foram expulsos.

Em um terceiro conjunto de experimentos, a equipe trabalhou com David Shapiro e Young-Sang Yu no Berkeley Lab's Advanced Light Source e com uma empresa de Washington, Hummingbird Scientific, para desenvolver uma célula de fluxo eletroquímica que pudesse ser integrada a um microscópio de raios-X de transmissão de varredura. Isso permitiu que eles mapeassem o estado de oxidação do catalisador ativo - um estado químico associado à atividade catalítica - em áreas tão pequenas quanto cerca de 50 nanômetros de diâmetro.

"Agora podemos começar a aplicar as técnicas que desenvolvemos neste trabalho em outros materiais e processos eletroquímicos, "Mefford disse." Também gostaríamos de estudar outras reações relacionadas com a energia, como o carregamento rápido dos eletrodos da bateria, redução de dióxido de carbono para captura de carbono, e redução de oxigênio, que nos permite usar hidrogênio em células de combustível. "