A produção eficiente e de baixo custo de hidrogénio é um passo importante para o desenvolvimento de fontes de energia alternativas e limpas. A divisão eletroquímica da água, que divide a água em seus elementos hidrogênio e oxigênio usando um eletrocatalisador, é uma opção viável para a produção de hidrogênio. Convencionalmente, os catalisadores têm sido baseados em elementos caros, como a platina, o que torna difícil a aplicação desta tecnologia em escala comercial generalizada.



Em um artigo publicado recentemente, os pesquisadores demonstraram como a adição de molibdênio a um catalisador de fosfeto de níquel-cobalto e sua síntese com um processo hidrotérmico gradiente, no qual o catalisador é aquecido a 100 graus, 150 graus e depois 180 graus Celsius durante 10 horas, criou uma microestrutura única que melhorou o desempenho do catalisador, resultando na produção de hidrogênio que poderia ser mais aplicável à produção de hidrogênio em larga escala.

O artigo foi publicado na Nano Research .

"A combinação inovadora de processos gradientes hidrotérmicos e de fosfatização forma uma estrutura de microesferas", disse Yufeng Zhao, professor da Faculdade de Ciências e Instituto de Energia Sustentável da Universidade de Xangai, em Xangai, China.

"Essas nanopartículas com um diâmetro de aproximadamente 5 a 10 nanômetros formam nanoagulhas, que posteriormente se automontam em uma estrutura esférica. As nanoagulhas oferecem locais ativos abundantes para transferência eficiente de elétrons e a presença de partículas de pequeno tamanho e rugosidade em microescala aumenta o liberação de bolhas de hidrogênio."

Para criar esta microestrutura única, os pesquisadores empregaram uma técnica chamada dopagem de elementos. A dopagem elementar é a adição intencional de impurezas a um catalisador para melhorar sua atividade. Neste estudo, o molibdênio (Mo) foi adicionado ao fosfeto bimetálico de níquel-cobalto (Ni-Co) (P).

Os fosfetos de Ni-Co já apresentam desempenho eletrocatalítico excepcional devido à forma como os íons de cobalto e níquel interagem. Depois de adicionar o molibdênio e depois usar um processo hidrotérmico gradiente, o Ni-CoP dopado com Mo foi depositado em uma espuma de níquel. Após esse processo, a microestrutura única das nanoagulhas se formou no fosforeto.

"A dopagem com traços de molibdênio otimiza a estrutura eletrônica e aumenta o número de sítios eletroativos", disse Zhao. O catalisador Ni-CoP dopado com Mo foi testado quanto à confiabilidade, estabilidade e desempenho. A sua densidade permaneceu quase constante após 100 horas e a sua estrutura foi bem mantida, graças em parte à estrutura única das nanoagulhas, que evitam o colapso do catalisador à medida que o hidrogénio se acumula. Os cálculos também mostraram que o catalisador de fosfeto era excepcionalmente eficiente.

Olhando para o futuro, os pesquisadores esperam testar o desempenho da reação em diferentes soluções, como soluções ácidas e neutras. Estudos futuros também analisarão alternativas à espuma de níquel, como a malha de titânio, que pode operar em toda a faixa de pH. "Em trabalhos futuros, recomendamos explorar a aplicação do catalisador na produção de hidrogênio assistida por oxidação de pequenas moléculas, como a ureia. Esta abordagem reduziria o potencial excessivo de eletrólise da água e mitigaria a poluição ambiental causada pelas águas residuais da ureia", disse Zhao.

Mais informações: Chengyu Huang et al, Eletrocatalisador altamente eficiente e estável para evolução de hidrogênio por nanoagulhas de fosfeto de Ni-Co dopadas com molibdênio em alta densidade de corrente, Nano Research (2023). DOI:10.1007/s12274-023-5892-7
Informações do diário: Nanopesquisa

Fornecido pela Imprensa da Universidade de Tsinghua