À medida que a procura de energia continua a aumentar, a investigação de fontes de energia novas, eficientes, renováveis ​​e limpas é uma prioridade urgente. Atualmente, fontes de energia renováveis ​​como solar, eólica, maré e geotérmica representam menos de 40% da atual demanda energética. Aumentar esta percentagem e reduzir a quantidade de combustíveis fósseis utilizados exigirá outras fontes de energia renováveis ​​e limpas, mais eficientes.



O hidrogênio é uma alternativa promissora, mas atualmente é produzido por reforma a vapor, que é ineficiente e produz CO₂ emissões. A divisão eletroquímica da água, também chamada de eletrólise da água, pode aproveitar as vantagens da eletricidade gerada a partir de fontes renováveis, é uma solução potencialmente eficiente para a produção de hidrogênio.

A divisão da água requer uma reação chamada reação de evolução de hidrogênio (HER), mas os nanocatalisadores envolvidos neste HER não possuem tamanho, composição, estrutura ou ambiente de coordenação química uniformes para melhorar a eficiência e promover a compreensão do mecanismo da reação. A solução para este problema pode estar em nanoaglomerados de ouro atomicamente precisos.

Em uma revisão da literatura publicada em Polyoxometalates em 19 de agosto, os pesquisadores resumiram o trabalho existente que estuda como os nanoaglomerados de ouro podem melhorar o desempenho catalítico e promover o HER.

"É extremamente difícil conseguir um modelo de catalisador com tamanho absolutamente uniforme, configuração geométrica definida e um ambiente químico local bem definido no nível anatômico para estabelecer a relação estrutura-desempenho inequívoca em nível atômico. Nanoaglomerados de ouro atomicamente precisos podem potencialmente resolver essas questões", disse Zhenghua Tang, pesquisador do Instituto de Pesquisa de Novas Energias da Universidade de Tecnologia do Sul da China, em Guangzhou, China. "Especificamente, os nanoaglomerados de ouro demonstraram propriedades catalíticas extraordinárias em várias reações orgânicas e reações eletrocatalíticas."

O nanoaglomerado de ouro é especialmente adequado para ser um catalisador para HER por vários motivos. Ao contrário de outros nanocatalisadores, o nanoaglomerado de ouro possui uma nanoestrutura precisa. Esta estrutura precisa significa que todos os nanoaglomerados de ouro são uniformes em tamanho, composição, morfologia e ambiente químico.

Também é útil para identificar os sítios ativos para a catálise de HER. As ricas reatividades químicas dos nanoaglomerados de ouro permitem tanto a adaptação do núcleo metálico quanto a engenharia de ligantes de superfície. A adaptação do núcleo metálico ocorre quando outro metal é introduzido no nanoaglomerado de ouro, que forma um aglomerado de liga de ouro. A introdução de outro metal pode proporcionar novas capacidades catalíticas e reduzir custos. Na engenharia de ligantes de superfície, o ambiente químico da superfície pode ser ajustado para expor locais mais ativos ou alterar a estrutura do nanocluster.

Finalmente, os nanoaglomerados de ouro têm outros méritos estruturais, como o tamanho ultrapequeno, que atende ao princípio de “pequeno é precioso” no campo da catálise; a morfologia pode ser ajustada e manipulada; estabilidade robusta com estrutura intacta preservada em diversas reações sob condições suaves.

"Os casos apresentados nesta revisão mostram claramente que propriedades catalíticas excepcionais de HER são frequentemente exibidas devido às vantagens distintas dos nanoaglomerados de ouro em comparação com as nanopartículas de ouro. No entanto, os desafios estão certamente presentes no emprego de nanoaglomerados de ouro para a catálise de HER, "disse Tang.

Alguns dos desafios comuns associados aos nanoclusters de ouro são encontrar uma solução para a quantidade de ouro que seria necessária para dimensionar o uso desses catalisadores, problemas com o desempenho dos nanocatalisadores em condições adversas e modelagem teórica imprecisa.

Olhando para o futuro, os pesquisadores estão planejando quais deverão ser os próximos passos na pesquisa de nanocatalisadores. Os caminhos sugeridos incluem testar a aplicabilidade do composto baseado em cluster de ouro para outras reações acopladas ao HER e melhorar a condutividade elétrica do catalisador composto baseado em cluster.

"Devido ao rápido desenvolvimento das técnicas sintéticas e da ciência da catálise, prevemos que mais esforços de pesquisa serão dedicados ao uso de nanoaglomerados metálicos atomicamente precisos como modelos de catalisadores para várias reações eletrocatalíticas e muito mais", disse Tang.

Mais informações: Xin Zhu et al, Nanoclusters de Au atomicamente precisos para catálise de evolução eletroquímica de hidrogênio:Progresso e perspectivas, Polioxometalatos (2023). DOI:10.26599/POM.2023.9140031
Fornecido pela Imprensa da Universidade de Tsinghua