A diminuição dos recursos energéticos convencionais baseados em combustíveis fósseis e as suas consequências ambientais relacionadas têm chamado a atenção em todo o mundo para o desenvolvimento de recursos energéticos renováveis. Estes recursos energéticos renováveis ​​podem não satisfazer todas as necessidades energéticas da grande população mundial; no entanto, limitam os efeitos dos gases com efeito de estufa, bem como a poluição atmosférica causada pela queima de combustíveis fósseis. Entre os recursos alternativos, o hidrogénio é considerado o transportador de energia mais limpo.



No entanto, o hidrogénio não existe no seu estado puro na natureza, como o oxigénio, e tem de ser produzido a partir de recursos que contêm hidrogénio, como gás natural (metano), carvão, biomassa e água, através de reforma, decomposição térmica ou eletrólise. Mas a produção de hidrogénio a partir de gás natural, carvão e biomassa leva à emissão do gás com efeito de estufa dióxido de carbono (CO₂ ).

Sabemos que a água (H₂ O) é feito de átomos de hidrogênio e oxigênio; portanto, a água do mar poderia ser uma fonte ilimitada de hidrogênio. Portanto, o hidrogénio é considerado um possível substituto dos combustíveis fósseis. A produção por meio de energia renovável (usando energia eólica, solar, hidrelétrica, das ondas ou similar) é denominada "hidrogênio verde". Neste cenário, dividir a água em hidrogênio e oxigênio usando eletricidade renovável em um eletrolisador na superfície de um eletrocatalisador robusto é uma técnica proposta.

Necessidade de um eletrocatalisador robusto

Apesar dos avanços no campo, o processo de cuspidor de água para produzir hidrogénio verde acessível ainda permanece lento devido a limitações relacionadas com eletrocatalisadores eficientes. Em teoria, a água se divide a 1,23 V. Porém, em termos práticos, esse valor é superior a 1,5 V (significando desperdício de energia adicional). Esta energia mínima é teoricamente necessária para quebrar a molécula de água. Eletrocatalisadores caros à base de metais nobres e preciosos, por exemplo, Pt, Pd, Au, Rh, Ir, etc., são usados ​​no eletrolisador para este processo.

Os principais problemas que a indústria e os especialistas enfrentam são a oxidação da água para produzir O₂ e a estabilidade do catalisador em condições alcalinas industriais adversas. No primeiro problema, a reação de meia célula é uma reação ascendente onde quatro elétrons estão envolvidos e onde a maior parte da energia é necessária, além da perda de energia associada à resistividade dos diferentes componentes (eletrólito, conexões, catalisador, etc.) do o eletrolisador. No segundo problema, os catalisadores caros muitas vezes perdem a sua actividade devido à degradação da superfície. Nestas condições, é necessário um eletrocatalisador barato e acessível, mas altamente ativo e estável, para tal reação de divisão da água.

Desenvolvimento atual

Em um estudo recente, nossa equipe, liderada por Sasanka Deka, projetou e desenvolveu um novo eletrocatalisador baseado em nanocompósito, altamente eficiente, mas ainda assim econômico, para a divisão geral da água. Um nanocompósito é uma mistura homogênea de dois ou mais materiais presentes na faixa nanométrica. O presente nanocompósito é uma nanoarquitetura baseada em nanopartículas desligadas de NiCu em nanofolhas hierárquicas de Co. Nossas descobertas foram publicadas na revista ACS Catalysis .

Os materiais utilizados são mais baratos que os metais preciosos e o procedimento de síntese é altamente conveniente. Este novo catalisador foi utilizado em um eletrolisador em eletrólito de hidróxido de potássio (KOH) para a divisão da água. Curiosamente, o sistema mostra a divisão da água e a produção de gás hidrogênio usando o eletrocatalisador NiCu/Co na tensão da célula de 1,46 V. Assim, o eletrocatalisador é capaz de dividir a água usando apenas uma bateria doméstica de 1,5 volts.

Outros pontos-chave sobre o eletrocatalisador NiCu/Co são que a produção de hidrogênio verde ocorre com alta densidade de corrente industrialmente importante, alta estabilidade (6.000 ciclos) e durabilidade (60 h) do catalisador. Ele também funciona em condições de eletrólito industrial de 30% em peso de eletrólito KOH e a voltagem da célula oferecida é muito menor do que a de um IrO comercial₂ ||Catalisador Pt/C.

Estudos experimentais e computacionais detalhados foram realizados para entender a razão por trás dessa eficiência. Os resultados corroborados apoiam nossa hipótese inicial de lixiviação seletiva de materiais para formar uma estrutura mais porosa, e o uso de diferentes centros metálicos e formatos de materiais para evolução de hidrogênio e oxigênio.

Em resumo, desenvolvemos um método simples, mas avançado e econômico para projetar um eletrocatalisador bifuncional baseado em nanocompósito de NiCu desligado em nanofolhas de Co que pode dividir a água a 1,46 V com grande estabilidade. Esperamos que nosso produto possa ser útil para síntese em escala e uso comercial em eletrolisadores para produção de hidrogênio verde.

Esta história faz parte do Science X Dialog, onde pesquisadores podem relatar descobertas de seus artigos de pesquisa publicados. Visite esta página para obter informações sobre o ScienceX Dialog e como participar.

Mais informações: Ankur Kumar et al, Projetando Nanoarquitetura de Nanopartículas Negociadas de NiCu em Nanofolhas Hierárquicas de Co para Divisão Geral de Água Alcalina em Baixa Tensão Celular, Catálise ACS (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c02096
Informações do diário: Catálise ACS

Dr. Sasanka Deka é Professor de Química, Universidade de Delhi. Ele recebeu seu Ph.D. graduação pelo Laboratório Nacional de Química (NCL-Pune). Ele fez sua pesquisa de pós-doutorado no Laboratório Nacional de Nanotecnologia, CNR-INFM, Lecce, Itália e no Instituto Italiano de Tecnologia (IIT), Gênova, Itália. Ele foi premiado com o TMS Foundation 2008 SHRI RAM ARORA AWARD, da Minerals, Metals &Materials Society (TMS), Warrendale, EUA; Prêmio DAE-BRNS de pesquisa para jovens cientistas 2011, melhor palestra oral RSC – 2015, Instituto de Física (IOP), artigo mais citado do Reino Unido – Índia 2019 e artigo melhor citado RSC em 2020. Dr. Deka publicou mais de 75 artigos de pesquisa em diferentes revistas internacionais de alto impacto, detém três patentes e também escreveu dois livros e três capítulos de livros publicados por uma editora internacional. Ele administrou com sucesso vários projetos de pesquisa extramuros nacionais e internacionais. Seu atual interesse de pesquisa trata de nanoquímica sintética e novos nanomateriais para pesquisa energética.