Novo catalisador diminui a energia necessária para separar o gás hidrogênio da água

O gás hidrogénio é uma alternativa limpa e renovável aos combustíveis fósseis, mas os atuais métodos de produção industrial utilizados para produzir hidrogénio libertam carbono na atmosfera e poluem o ambiente.

Um novo catalisador, composto de carbono níquel-ferro-molibdênio-fosfeto ancorado em espuma de níquel (NiFeMo-PC), diminuiu significativamente a quantidade de eletricidade necessária para gerar hidrogênio e oxigênio a partir da água, fornecendo um meio limpo e eficiente para produzir gás hidrogênio. .

Uma equipe de engenheiros químicos líderes sintetizou um catalisador econômico e de fácil fabricação, projetado para reduzir a quantidade de energia necessária para a eletrólise da água, que divide as moléculas de água em hidrogênio e oxigênio usando eletricidade.

O gás hidrogênio e oxigênio são separados da água por meio da reação de evolução do hidrogênio (HER) e da reação de evolução do oxigênio (OER), respectivamente. A liga de metais de transição, ou mistura contendo pelo menos um metal, níquel-ferro-molibdênio (NiFeMo) foi utilizada como catalisador para eletrólise da água devido ao preenchimento incompleto dos orbitais de elétrons nos átomos dos metais de transição níquel e ferro, tornando-a um elétron ideal. doador e aceitador em reações químicas. Fosfeto foi adicionado ao catalisador para melhorar a resistência à corrosão em uma solução eletrolítica alcalina ou de pH básico.

A equipe publicou os resultados de seu estudo em Energia de Nano Pesquisa em 7 de julho.

“O hidrogénio é reconhecido como a alternativa ideal aos combustíveis fósseis devido à sua elevada… densidade energética, elevada eficiência de conversão de calor e emissão zero de carbono. No entanto, os métodos de produção de hidrogénio normalmente aplicados na indústria, incluindo a reforma a vapor do gás natural e do metanol e a gaseificação de carvão, consomem combustíveis fósseis e causam poluição grave ao meio ambiente”, disse Jingjing Tang, supervisor do estudo e professor associado da Universidade Central Sul em Changsha, China.

“A eletrólise da água utiliza a água como matéria-prima para produzir hidrogênio de alta pureza, convertendo eletricidade em energia química, que é uma tecnologia de produção de hidrogênio limpa e promissora”, disse Tang.

Os catalisadores usados ​​para reduzir a energia necessária tanto para o HER quanto para o REA existiam anteriormente, mas utilizavam platina e óxido de irídio, elementos valiosos que são caros e escassos. A criação de um catalisador acessível que reduza a energia de ativação de ambas as reações reduz os custos gerais de fabricação e melhora a viabilidade comercial da produção de gás hidrogênio limpo.

Um desafio no projeto de um catalisador bifuncional foram os requisitos especiais dos REA. “Como o REA é uma reação de transferência de quatro elétrons com cinética lenta, [it] geralmente funciona melhor em solução alcalina. Era fundamental pesquisar eletrocatalisadores não nobres, à base de metais, com excelente desempenho bifuncional em [an] eletrólito alcalino”, disse Tang. A equipe criou a liga e o fosfeto metálico para manter a integridade do catalisador nessas condições alcalinas.

Para testar a composição e o estado de valência do catalisador NiFeMo-PC gerado, a equipe submeteu o composto à medição por espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) para confirmar a presença de Ni, Fe, Mo, P, C e O. O alto O espectro de resolução do níquel também identificou órbitas de spin 2p3/2 e 2p1/2, que se referem ao estado dos elétrons nos átomos de níquel do catalisador.

No geral, o eletrocatalisador NiFeMo-PC recentemente desenvolvido requer superpotenciais muito baixos, ou energia necessária para dividir a água, para HER (87 mV para atingir uma densidade de corrente de 10 mA·cm^–2) e OER (196 mV para atingir uma densidade de corrente de 10 mA·cm^–2). A voltagem da célula, ou diferença de voltagem entre dois eletrodos, necessária para a eletrólise da água usando o catalisador também é de apenas 1,50 V a 10 mA·cm^–2.

A equipa está optimista de que a sua descoberta tornará a produção de hidrogénio limpo uma realidade. “Ao contrário da maioria dos catalisadores bifuncionais, o NiFeMo-PC pode alcançar excelente desempenho catalítico sem etapas complicadas de preparação e nanoestruturas elaboradas. Além disso, a durabilidade superior sem qualquer [voltage] atenuação dentro de 50 horas… torna o NiFeMo-PC um ideal [non-precious metal catalyst] candidato… para a produção de hidrogênio em larga escala”, disse Tang.

Outros colaboradores incluem Xiangyang Zhou, Tingting Yang, Ting Li, Youju Zi, Sijing Zhang, Lei Yang, Yingkang Liu e Juan Yang da Escola de Metalurgia e Meio Ambiente da Universidade Centro-Sul em Changsha, China.