Como combustível combustível, a queima do gás hidrogénio não contribui para o aquecimento global. Hoje, porém, a maior parte do gás hidrogénio é gerada a partir de combustíveis fósseis e este processo liberta gases com efeito de estufa na atmosfera. A geração de gás hidrogénio a partir de fontes limpas, como a divisão de moléculas de água com eletricidade através de eletrólise, é importante para alcançar a futura neutralidade carbónica, mas os métodos atuais são ineficientes e limitam a viabilidade comercial das tecnologias baseadas no hidrogénio.



Um novo eletrocatalisador aproveita atividade eletroquímica aprimorada, área de superfície de reação e durabilidade para melhorar a eficiência da produção de gás hidrogênio por meio de eletrólise.

Pesquisadores do Centro de Excelência em Energia NaNo e Tecnologia de Catálise (CONNECT), da Universidade de Xiamen, na Malásia, sintetizaram e caracterizaram um eletrocatalisador de água eficiente e durável composto pelo metal de transição dichalcogeneto dissulfeto de tungstênio (WS₂ ), um material bidimensional com propriedades semicondutoras, que funciona como aceptor ou doador de elétrons na reação de eletrólise.

O eletrocatalisador, WS₂ /N-rGO/CC, é criado em um tecido de carbono (CC) que está ligado ao óxido de grafeno reduzido (rGO), um semicondutor de rede bidimensional, combinado com uma quantidade muito pequena de nitrogênio (N) para alterar as propriedades de o semicondutor de óxido de grafeno reduzido. Uma reação hidrotérmica converte WS bidimensional₂ em estruturas microscópicas e tridimensionais semelhantes a flores, chamadas nanoflores, que aumentam a área de superfície do eletrocatalisador para melhorar a eficiência da reação.

A equipe publicou seus resultados na revista Nano Research .

"Sintetizar um eletrodo autossustentado para a reação de evolução do hidrogênio na hidrólise da água é crucial porque aborda um desafio fundamental na produção de energia limpa. Os métodos tradicionais geralmente dependem de catalisadores e suportes caros, o que pode limitar a eficiência e a escalabilidade da produção de hidrogênio. Nosso Este trabalho representa um avanço significativo ao criar um eletrodo autossustentado que não apenas melhora a atividade eletrocatalítica, mas também oferece uma solução econômica e sustentável para a geração de hidrogênio", disse Feng Ming Yap, principal autor do artigo e estudante de pós-graduação no Escola de Energia e Engenharia Química da Universidade de Xiamen, Malásia, em Selangor Darul Ehsan, Malásia.

Como a espécie ativa do eletrocatalisador, o dissulfeto de tungstênio, é diretamente incorporada nos materiais condutores do eletrodo, WS₂ /N-rGO/CC é considerado um eletrodo autossuportado. Nenhum ligante polimérico ou aditivo está presente no eletrocatalisador sintetizado para mascarar os sítios ativos do catalisador ou diminuir a condutância eletrônica, maximizando a eficiência da reação.

A equipe de pesquisa experimentou incorporar várias quantidades de dimetilformamida (DMF) na reação de síntese hidrotérmica final para determinar a melhor concentração para a transição de fase 1T metálica preferida de WS₂ para o eletrodo. O eletrodo desenvolvido utilizando uma concentração de 50% de DMF em água (50% WGC) durante a última reação hidrotérmica demonstrou características superiores aos eletrodos sintetizados usando soluções de 0, 25, 75 e 100 por cento de DMF.

"Nosso eletrodo pode produzir hidrogênio com eficiência sob uma ampla gama de condições de pH, tornando-o versátil e adaptável para diversas aplicações práticas. É um passo em direção à produção sustentável e eficiente de hidrogênio, que é essencial para um futuro energético mais limpo", disse Wee-Jun. Ong, supervisor do projeto e professor associado da Escola de Energia e Engenharia Química da Universidade de Xiamen, Malásia.

É importante ressaltar que o eletrocatalisador 50% WGC superou o eletrocatalisador de referência de platina, 20% Pt-C/CC, para o HER em condições ácidas e básicas. Especificamente, 50% de WGC demonstraram um sobrepotencial menor, ou energia necessária para dividir a água, do que 20% de Pt-C/CC. O sobrepotencial para 50% de WGC foi de 21,13 mV em comparação com 46,03 mV para 20% de Pt-C/CC.

A equipe de pesquisa acredita que eletrocatalisadores mais eficientes em termos de custo e energia, como 50% WGS, são fundamentais para alcançar as metas mundiais de energia limpa. "Nosso objetivo é explorar a escalabilidade e a implementação prática de nossa tecnologia de eletrodos autossustentados. Nosso objetivo final é contribuir para a transição para um cenário energético sustentável, onde o hidrogênio pode desempenhar um papel crucial como fonte de energia limpa e renovável", afirmou Ah.

Jian Yiing Loh, da Escola de Energia e Engenharia Química e do Centro de Excelência em Energia NaNo e Tecnologia de Catálise (CONNECT) da Universidade de Xiamen, Malásia, em Selangor Darul Ehsan, Malásia, também contribuiu para o estudo. Esta investigação faz parte das iniciativas das políticas nacionais na Malásia, nomeadamente o Roteiro Nacional de Transição Energética (NETR) e o Roteiro de Economia e Tecnologia do Hidrogénio (HETR), para facilitar a energia sustentável da Malásia nos próximos cinco anos.

Mais informações: Feng Ming Yap et al, Integração sinérgica de 1T/2H-WS2 autossuportado e rGO dopado com nitrogênio em tecido de carbono para evolução de hidrogênio eletrocatalítico universal de pH, Nano Research (2023). DOI:10.1007/s12274-023-6118-8
Informações do diário: Nanopesquisa

Fornecido pela Imprensa da Universidade de Tsinghua