A energia do hidrogénio surgiu como uma alternativa promissora aos combustíveis fósseis, oferecendo uma fonte de energia limpa e sustentável. No entanto, o desenvolvimento de catalisadores eficientes e de baixo custo para a reação de evolução do hidrogênio continua sendo um desafio.



Uma equipe de pesquisa liderada por cientistas da City University of Hong Kong (CityU) desenvolveu recentemente uma nova estratégia para projetar catalisadores de nanofolhas ultrafinos estáveis ​​​​e eficientes, formando estruturas de Turing com múltiplos cristais nanotwin. Esta descoberta inovadora abre caminho para um melhor desempenho do catalisador para a produção de hidrogénio verde.

O artigo, intitulado "Estruturação de Turing com múltiplos nanotwins para projetar catalisadores eficientes e estáveis ​​para reação de evolução de hidrogênio" foi publicado na Nature Communications .

A produção de hidrogênio por meio do processo de eletrólise da água com emissões líquidas zero de carbono é um dos processos de produção de hidrogênio limpo. Embora nanomateriais de baixa dimensão com defeitos controláveis ​​​​ou modificações de deformação tenham surgido como eletrocatalisadores ativos para conversão e utilização de energia de hidrogênio, a estabilidade insuficiente nesses materiais devido à degradação estrutural espontânea e ao relaxamento de deformação leva à degradação do desempenho catalítico.

Para resolver esta questão, uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Lu Jian, reitor da Faculdade de Engenharia da CityU e diretor da filial de Hong Kong do Centro Nacional de Pesquisa em Engenharia de Materiais de Metais Preciosos, desenvolveu recentemente uma estratégia pioneira de estruturação de Turing que não apenas ativa, mas também estabiliza catalisadores através da introdução de cristais nanotwin de alta densidade. Esta abordagem resolve eficazmente o problema de instabilidade associado a materiais de baixa dimensão em sistemas catalíticos, permitindo a produção de hidrogénio eficiente e duradoura.

Os padrões de Turing, conhecidos como padrões estacionários espaço-temporais, são amplamente observados em sistemas biológicos e químicos, como a coloração regular da superfície das conchas. O mecanismo dessas formações de padrões está relacionado à teoria da reação-difusão proposta por Alan Turing, famoso matemático inglês considerado um dos pais da computação moderna, na qual o ativador com menor coeficiente de difusão induz crescimento preferencial local.

“Em pesquisas anteriores, a fabricação de materiais de baixa dimensão concentrou-se principalmente em controles estruturais para fins funcionais, com poucas considerações sobre controles espaço-temporais”, disse o professor Lu.

"No entanto, os padrões de Turing em nanomateriais podem ser alcançados pelo crescimento anisotrópico de nanogrãos dos materiais. Essa simetria de rede quebrada tem implicações cristalográficas cruciais para o crescimento de configurações específicas, como materiais bidimensionais (2D) com geminação e quebra intrínseca simetria. Então, queríamos explorar a aplicação da teoria de Turing no crescimento de nanocatalisadores e as relações com defeitos cristalográficos."

Nesta pesquisa, a equipe usou uma abordagem em duas etapas para criar nanofolhas superfinas de platina-níquel-nióbio (PtNiNb) com tiras que se assemelham topologicamente aos padrões de Turing. Essas estruturas de Turing em nanofolhas foram formadas através da fixação de orientação restrita de nanogrãos, resultando em uma rede nanogêmea intrinsecamente estável e de alta densidade que atuou como estabilizadores estruturais que impediram a degradação estrutural espontânea e o relaxamento de deformação.

Além disso, os padrões de Turing geraram efeitos de tensão em rede que reduzem a barreira energética da dissociação da água e otimizam a energia livre de adsorção de hidrogênio para a reação de evolução do hidrogênio, aumentando a atividade dos catalisadores e proporcionando estabilidade excepcional. A superfície da estrutura de Turing em nanoescala exibe um grande número de interfaces gêmeas, tornando-a também um material excepcionalmente adequado para aplicações dominadas por interface, particularmente catálise eletroquímica.

Nos experimentos, os pesquisadores demonstraram o potencial do recém-inventado nanocatalisador Turing PtNiNb como um catalisador estável de evolução de hidrogênio com excelente eficiência. Alcançou aumentos na atividade de massa e no índice de estabilidade de 23,5 e 3,1 vezes, respectivamente, em comparação com 20% Pt/C comercial. O eletrolisador de água com membrana de troca aniônica baseado em Turing PtNiNb com uma carga de massa de baixa platina (Pt) de 0,05 mg cm ⁻² também era extremamente confiável, pois podia atingir 500 horas de estabilidade a 1.000 mAcm ⁻² .

"Nossas principais descobertas fornecem informações valiosas sobre a ativação e estabilização de materiais catalíticos com dimensões baixas. Apresenta um novo paradigma para melhorar o desempenho do catalisador", disse o professor Lu. "A estratégia de otimização da estrutura de Turing não apenas aborda a questão da degradação da estabilidade em materiais de baixa dimensão, mas também serve como uma abordagem versátil de otimização de materiais aplicável a outras ligas e sistemas catalíticos, melhorando, em última análise, o desempenho catalítico."

Mais informações: Jialun Gu et al, Estruturação de Turing com múltiplos nanogêmeos para projetar catalisadores eficientes e estáveis ​​para reação de evolução de hidrogênio, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40972-w
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pela Universidade Municipal de Hong Kong