Uma equipe de pesquisa liderada pela City University of Hong Kong (CityU) alcançou um avanço inovador em nanomateriais ao desenvolver com sucesso um eletrocatalisador altamente eficiente que pode aumentar significativamente a geração de hidrogênio por meio da divisão eletroquímica da água.



Esta inovação tem grande potencial de aplicação para a indústria de energia limpa.

O professor Zhang Hua, professor catedrático de nanomateriais Herman Hu na CityU, e sua equipe desenvolveram um eletrocatalisador usando nanofolhas de dichalcogeneto de metal de transição (TMD) com fases de cristal não convencionais como suporte. O eletrocatalisador exibe atividade superior e excelente estabilidade na reação eletrocatalítica de evolução de hidrogênio em meio ácido.

"A descoberta da nossa pesquisa é significativa no sentido de que o hidrogénio gerado pela divisão eletroquímica da água é considerado uma das energias limpas mais promissoras para substituir os combustíveis fósseis num futuro próximo, reduzindo a poluição ambiental e o efeito estufa", disse o professor Zhang.

Esta importante descoberta foi publicada na revista Nature com o título, "Crescimento dependente de fase de Pt em MoS₂ para H₂ altamente eficiente evolução."

O professor Zhang disse que a chave para a pesquisa sobre divisão eletrocatalítica da água é desenvolver catalisadores altamente eficientes e estáveis. É de grande importância a escolha de um suporte adequado para melhorar a atividade e estabilidade dos catalisadores durante o processo.

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Como um material bidimensional (2D) emergente, as nanofolhas TMD têm sido de grande interesse entre os pesquisadores devido às suas propriedades físicas e químicas únicas.

Verificou-se que a fase é um fator extremamente importante que determina as propriedades e funções das nanofolhas TMD. Por exemplo, dissulfeto de molibdênio (MoS₂ ) com a fase 2H convencional exibe uma propriedade semicondutora, enquanto MoS₂ com fase não convencional 1T ou 1T′ apresenta propriedade metálica ou semimetálica, possuindo assim boa condutividade.

No entanto, a produção de nanofolhas TMD de fase não convencional com alta pureza de fase e alta qualidade continua um desafio. A pesquisa sobre o efeito da fase cristalina TMD no crescimento de outros materiais ainda está em um estágio inicial.

Nos últimos anos, a equipe de pesquisa do professor Zhang desenvolveu uma série de novos métodos, como reações de gás sólido e síntese assistida por sal, e preparou com sucesso uma série de materiais de cristal TMD de alta pureza de fase e alta qualidade com 1T ′ não convencional. Estágio.

Devido às suas propriedades semimetálicas únicas, esses nanomateriais têm grande potencial em aplicações nas áreas de dispositivos optoeletrônicos, catálise, armazenamento de energia e supercondutividade.

Nesta pesquisa, a equipe desenvolveu com sucesso um novo método para preparar nanofolhas de TMD com fases não convencionais. Eles também investigaram o crescimento dependente da fase cristalina de metais nobres em nanofolhas 1T′-TMD e 2H-TMD.

Eles descobriram que usar o 2H-TMD convencional como modelo facilita o crescimento epitaxial de nanopartículas de platina (Pt), enquanto o modelo não convencional 1T′-TMD suporta átomos de Pt dispersos atomicamente (s-Pt). Com base nessas descobertas, a equipe desenvolveu os átomos de Pt dispersos atomicamente únicos/dissulfeto de molibdênio na fase 1T′ (s-Pt/1T′-MoS₂ ) catalisador.

Para superar a limitação do transporte de massa de catalisadores baseados em Pt em reações eletrocatalíticas de evolução de hidrogênio em meio ácido, a equipe adotou uma tecnologia avançada de eletrodo flutuante para testes.

Seus resultados experimentais descobriram que o s-Pt/1T′-MoS₂ o catalisador exibiu uma alta atividade de massa de 85±23 A mg_Pt ^-1 em um sobrepotencial de −50 mV e uma densidade de corrente de troca normalizada em massa (127 A mg_Pt ^-1 ). Além disso, o catalisador pode funcionar de forma estável por 500 horas em um eletrolisador de água com membrana de troca de prótons, mostrando potencial de aplicação promissor.

A equipe investigou sistematicamente o crescimento dependente de fase de metais nobres em nanofolhas 1T′-TMD e 2H-TMD, e demonstrou que nanofolhas 1T′-TMD podem ser suportes eficazes para catalisadores.

"O novo eletrocatalisador sintetizado exibe atividade superior e excelente estabilidade na reação eletrocatalítica de evolução do hidrogênio em meio ácido e desempenhará um papel extremamente importante no desenvolvimento de energia limpa no futuro", disse o Dr. Shi Zhenyu, pós-doutorado no Departamento de Química e o primeiro autor do artigo.

As descobertas ampliaram o escopo da "Engenharia de Fase de Nanomateriais" (PEN), abrindo um novo caminho para o projeto e síntese de catalisadores altamente eficientes. O professor Zhang disse que, no futuro, a equipe continuará a pesquisa sobre o catalisador baseado em 1T′-TMD e suas perspectivas em aplicação industrial, a fim de contribuir para a energia limpa e o desenvolvimento sustentável.

Os autores correspondentes são o Professor Zhang e o Professor Anthony RJ Kucernak do Departamento de Química do Imperial College London. Este projecto de investigação reuniu colaboradores de universidades e institutos de investigação de Hong Kong, China continental, Singapura e Reino Unido, mostrando a importância da colaboração internacional na obtenção de avanços científicos.

Mais informações: Zhenyu Shi et al, Crescimento dependente de fase de Pt em MoS2 para evolução de H2 altamente eficiente, Natureza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06339-3
Informações do diário: Natureza

Fornecido pela Universidade Municipal de Hong Kong