Um novo eletrocatalisador feito de níquel (Ni), ferro (Fe) e silício (Si) que diminui a quantidade de energia necessária para sintetizar H₂ a partir de água foi fabricado de forma simples e econômica, aumentando a praticidade do H₂ como uma energia limpa e renovável do futuro.



O hidrogénio é um gás altamente combustível que pode ajudar o mundo a atingir os seus objectivos de energia limpa se for fabricado de forma ambientalmente responsável. O principal obstáculo para a criação de gás hidrogênio a partir da água é a grande quantidade de energia necessária para a eletrólise da água ou para a divisão das moléculas de água em gás hidrogênio (H₂ ) e oxigênio (O₂ ).

A maioria H₂ produzido hoje é derivado de combustíveis fósseis, o que contribui para o aquecimento global. Fabricação H₂ da água através da reação de evolução do hidrogênio (HER) requer o uso de um catalisador ou agente que reduza a quantidade de energia necessária para uma reação química. Até recentemente, estes catalisadores eram constituídos por metais de terras raras, como a platina, reduzindo a relação custo-benefício e a praticidade da produção de hidrogénio limpo.

Um grupo de cientistas de materiais da Universidade de Tecnologia de Dalian, em Dalian, China, fabricou um eletrocatalisador, ou catalisador que utiliza eletricidade, usando materiais e métodos baratos para diminuir efetivamente a energia necessária para gerar H₂ limpo. da água. É importante ressaltar que a liga ou mistura de siliceto de níquel férrico (FeNiSi) também reduz a energia necessária para gerar O₂ da água, tornando o catalisador bifuncional.

Os pesquisadores publicaram seu estudo na Nano Research Energy .

"O que realmente limita o desenvolvimento e a aplicação prática da tecnologia de eletrólise da água são os materiais eletrocatalíticos. Atualmente, os catalisadores comuns, como os metais preciosos... são, em sua maioria, catalisadores de função única, o que limita a aplicação prática da eletrólise da água para a produção de hidrogênio. Portanto, o a pesquisa e o desenvolvimento de materiais eletrocatalíticos bifuncionais eficientes, estáveis, baratos e ecologicamente corretos são um objetivo principal no campo da eletrocatálise", disse Yifu Zhang, autor sênior do estudo e pesquisador da Escola de Química da Universidade de Tecnologia de Dalian.

As ligas de siliceto de metais de transição são compostos únicos comumente usados ​​em campos relacionados à energia, são produzidos de forma barata e mostram-se promissores como potenciais eletrocatalisadores de hidrólise de água. Essas ligas são feitas de metais de transição, que são excelentes catalisadores que doam e aceitam elétrons livremente em reações químicas, e átomos de Si, que aumentam a estabilidade, a resistência ao calor e a acessibilidade dos átomos de metais de transição da liga quando a eletricidade é aplicada.

Fe e Ni, dois metais de transição, são adequados para uso em siliceto de metal de transição para divisão de água. "O siliceto de níquel tem sido... profundamente estudado por sua baixa resistência e alta atividade metálica, especialmente... em campos eletroquímicos. Além disso, muitos estudos recentes mostraram que materiais à base de Fe-Ni têm um potencial considerável no campo da divisão eletroquímica da água. O objetivo deste trabalho foi desenvolver uma rota de baixo custo e ecologicamente correta para preparar siliceto de ferro-níquel como um catalisador de água eletrolítica bifuncional (EWS)", disse Zhang.

A equipe de pesquisa fabricou FeNiSi em duas etapas. Primeiro, a argila natural magadiíta, uma fonte de silício, cloreto de ferro e cloreto de níquel, foi aquecida sob pressão para criar um silicato férrico-níquel. O silicato férrico-níquel foi então combinado e aquecido com magnésio e cloreto de sódio (sal de cozinha) para desenvolver a estrutura ordenada da liga FeNiSi. É importante ressaltar que esta foi a primeira vez que uma liga de siliceto metálico foi fabricada utilizando este tipo de reação química utilizando silicatos metálicos como material de reação.

A microscopia eletrônica e as técnicas de caracterização por raios X revelaram que o processo de fabricação criou muitas estruturas de poros na liga final de FeNiSi, aumentando sua área superficial e desempenho eletrocatalítico geral. A liga FeNiSi reduz o potencial necessário para separar o oxigênio e o hidrogênio da água em 308 mV para a reação de evolução de oxigênio (OER) e 386 mV para o HER, respectivamente, a uma corrente de 10 mA·cm ⁻² . O eletrocatalisador também demonstrou durabilidade suficiente após 15 horas de uso.

A equipe de pesquisa espera que o FeNiSi e outros silicatos de metais de transição contribuam para a síntese de gás hidrogênio limpo para necessidades energéticas futuras.

"Este trabalho não apenas fornece um método fácil para a síntese de siliceto intermetálico com estruturas porosas consideráveis, mas também permite que o siliceto intermetálico seja considerado como um eletrocatalisador bifuncional para EWS. Eletrocatalisadores de siliceto intermetálico eficientes e de baixo custo fornecerão novas oportunidades para… renováveis conversão de energia", disse Zhang.

Outros colaboradores incluem Xuyang Jing, Yang Mu, Zhanming Gao e Xueying Dong, da Escola de Química da Universidade de Tecnologia de Dalian, em Dalian, China; Changgong Meng, da Escola de Química e da Faculdade de Engenharia Ambiental e Química da Universidade de Tecnologia de Dalian; e Chi Huang, da Faculdade de Química e Ciências Moleculares da Universidade de Wuhan, em Wuhan, China.

Mais informações: Xuyang Jing et al, Liga intermetálica de siliceto de níquel férrico derivada de magadiita por reação magnesiotérmica como eletrocatalisador bifuncional para divisão geral de água, Nano Research Energy (2023). DOI:10.26599/NRE.2023.9120104
Fornecido pela Imprensa da Universidade de Tsinghua