O reservatório limitado de combustíveis fósseis e as ameaças cada vez maiores das mudanças climáticas têm incentivado os pesquisadores a desenvolver tecnologias alternativas para produzir combustíveis ecologicamente corretos. O hidrogênio verde gerado a partir da eletrólise da água usando eletricidade renovável é considerado uma fonte de energia renovável de próxima geração para o futuro. Mas, na realidade, a esmagadora maioria do combustível de hidrogênio é obtida do refino de combustíveis fósseis devido ao alto custo da eletrólise.
Atualmente, a eficiência da eletrólise da água é limitada e muitas vezes requer alta voltagem da célula devido à falta de eletrocatalisadores eficientes para reações de evolução de hidrogênio. Metais nobres como a platina (Pt) são usados ​​como catalisadores para melhorar a geração de hidrogênio em meios ácidos/alcalinos. No entanto, esses catalisadores de metais nobres são muito caros e apresentam baixa estabilidade em operação a longo prazo.

Catalisadores de átomo único têm vantagens sobre seus equivalentes baseados em nanomateriais, alcançando até 100 por cento de utilização de átomos, enquanto apenas os átomos de superfície das nanopartículas estão disponíveis para reação. No entanto, devido à simplicidade do centro de um único átomo de metal, a realização de modificações adicionais dos catalisadores para realizar reações complexas em várias etapas é bastante difícil.

A maneira mais simples de modificar os átomos únicos é transformá-los em dímeros de átomo único, que combinam dois átomos únicos diferentes. Ajustar o sítio ativo de catalisadores de átomo único com dímeros pode melhorar a cinética da reação graças ao efeito sinérgico entre dois átomos diferentes. No entanto, embora a síntese e a identificação da estrutura do dímero de átomo único sejam conhecidas conceitualmente, sua realização prática tem sido muito difícil.

Este problema foi abordado por uma equipe de pesquisa liderada pelo Diretor Associado LEE Hyoyoung do Centro de Física Integrada de Nanoestruturas do Instituto de Ciências Básicas (IBS) localizado na Universidade de Sungkyunkwan. A equipe de pesquisa da IBS desenvolveu com sucesso uma estrutura de dímero de Ni-Co atomicamente disperso estabilizada em um suporte de carbono dopado com nitrogênio, que foi denominado NiCo-SAD-NC.

"Sintetizamos a estrutura de dímero de átomo único de Ni-Co em suporte de carbono dopado com nitrogênio (N) via aprisionamento in-situ de íons Ni/Co na esfera de polidopamina, seguido de pirólise com coordenação N precisamente controlada. microscopia eletrônica de transmissão de última geração e espectroscopia de absorção de raios-X para identificar com sucesso esses locais NiCo-SAD com precisão atômica", diz Ashwani Kumar, o primeiro autor do estudo.

Os pesquisadores descobriram que o recozimento por duas horas a 800°C em uma atmosfera de argônio era a melhor condição para a obtenção da estrutura dimérica. Outros dímeros de átomo único, como CoMn e CoFe, também podem ser sintetizados usando o mesmo método, o que comprova a generalidade de sua estratégia.

A equipe de pesquisa avaliou a eficiência catalítica deste novo sistema em termos do sobrepotencial necessário para conduzir a reação de evolução do hidrogênio. O eletrocatalisador NiCo-SAD-NC apresentou um nível de sobretensão comparável aos catalisadores comerciais à base de Pt em meios ácidos e alcalinos. NiCo-SAD-NC também exibiu atividade oito vezes maior do que catalisadores de átomo único de Ni/Co e nanopartículas de NiCo heterogêneas em meio alcalino. Ao mesmo tempo, obteve atividade 17 e 11 vezes maior do que os catalisadores de átomo único de Co e Ni, respectivamente, e 13 vezes maior do que as nanopartículas convencionais de Ni/Co em meio ácido.

Além disso, os pesquisadores demonstraram a estabilidade a longo prazo do novo catalisador, que foi capaz de conduzir a reação por 50 horas sem qualquer alteração de estrutura. O NiCo-SAD exibiu dissociação de água superior e adsorção de prótons ótima em comparação com outros dímeros de átomo único e sítios de átomo único de Ni/Co, aumentando a atividade do catalisador de pH universal com base na simulação da teoria funcional da densidade.

"Ficamos muito animados ao descobrir que a nova estrutura NiCo-SAD dissocia as moléculas de água com uma barreira de energia muito menor e acelera a reação de evolução do hidrogênio em meios alcalinos e ácidos com desempenho comparável ao de Pt, que abordou as deficiências do Ni individual e Co catalisadores de átomo único. A síntese de tal estrutura de dímero de átomo único foi um desafio de longa data no campo de catalisadores de átomo único", observa o Diretor Associado Lee, autor correspondente do estudo.

Ele explica ainda:"Este estudo nos leva um passo mais perto de uma economia de hidrogênio verde e livre de carbono. Este eletrocatalisador de geração de hidrogênio altamente eficiente e barato nos ajudará a superar os desafios de longo prazo da produção de hidrogênio verde de custo competitivo:produzir alta hidrogênio de pureza para aplicações comerciais a um preço baixo e de maneira ecologicamente correta."

O estudo foi publicado em Nature Communications . + Explorar mais

Um novo catalisador de átomo único pode produzir hidrogênio a partir de uréia a uma taxa excepcional