Catalisador de alta eficiência e baixo custo para eletrólise de água

Uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Sangaraju Shanmugam de Ciência e Engenharia de Energia da DGIST desenvolveu um eletrocatalisador nanoestruturado de concha de núcleo altamente eficiente e durável e substituiu com sucesso o precioso ânodo na eletrólise de água, através da colaboração com o grupo de pesquisa do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL).

A substituição de combustíveis convencionais por recursos de energia renovável é uma abordagem adequada para alcançar um ambiente ecologicamente correto e diminuir as futuras demandas de energia. Assim, a geração ou conversão de energia eletroquímica em dispositivos de energia renovável, que depende de reações anódicas e catódicas, tem recebido muita atenção.

Na divisão eletrocatalítica da água, o oxigênio gasoso gera no ânodo devido à reação de evolução do oxigênio (RCE), uma reação eletroquímica lenta em comparação com a reação de evolução do hidrogênio (RHE). Assim, um eletrocatalisador adequado é necessário para a divisão de água eletrocatalítica estável.

Desenvolvimento de eletrocatalisadores OER eficientes, duráveis e de baixo custo é importante para dispositivos de energia eletrolítica de água. Até agora, os óxidos de ruténio e irídio eram considerados electrocatalisadores de última geração na RCE, mas a falta de estabilidade limita o seu uso na divisão de água em grande escala, impedindo a sua comercialização generalizada.

A equipa do Professor Shanmugam, juntamente com investigadores da PNNL, concentraram-se no desenvolvimento de um electrocatalisador de metal alternativo de baixo custo e não nobre para substituir o eléctrodo de ânodo metálico nobre na divisão eficiente da água. O metal com suporte de carbono é considerado um material eletrocatalítico eficiente para o aumento da RCE na divisão da água. Até agora, a maioria dos eletrocatalisadores desenvolvidos têm apresentado um maior conteúdo de carbono e um conteúdo específico de metal ativo menor. A maior quantidade de carbono em contato com os locais reais de metal ativo, e resultou em condições de corrosão por carbono mais rápidas. Isto levou a uma menor atividade eletrocatalítica.

No estudo, os pesquisadores descobriram que um grande número de íons metálicos inorgânicos de cobalto ligados por ligantes orgânicos no azul da Prússia são um precursor adequado para o desenvolvimento de nanocatalisadores gráficos de nanocarbono encapsulados em núcleo, ricos em metal e nitrogênio, para a lenta OER (ânodo) na divisão da água.

Quando aquecidos (600 a 900 graus C) numa atmosfera inerte, os iões metálicos de cobalto e os ligandos orgânicos no sal são transformados em camadas finas de carbono cobalto metálico e de grafite dopado com nitrogénio, respectivamente, que formam a camada fina de carbono, encapsulada metálica, nanoestruturas de concha de núcleo de cobalto (Core-Shell Co@NC). As camadas finas de carbono têm uma forte interação com o metal cobalto, que promovem menos corrosão de carbono, exibem excelente movimento de elétrons e têm maior exposição do metal cobalto ao meio de reação, incluindo a formação de morfologia nanosizada sem agregação de partículas.

O efeito combinado do carbono e do metal cobalto nos eletrodos consegue uma atividade OER eletrocatalítica mais eficiente do que os eletrodos de metais preciosos para uma divisão eficiente da água. Portanto, o eletrodo não nobre rico em metal é uma alternativa, ativa, estável e menos cara para a produção econômica de gás H2 na eletrólise de água em escala comercial.

“Prevemos que esta seja uma abordagem única para o desenvolvimento de nanoestruturas de compósito de carbono reduzido e ricas em metal que melhoram os locais ativos de metal, que apresentam uma fina camada de proteção de carbono e movimento ultra-rápido de elétrons na superfície do catalisador, que melhorará a atividade eletroquímica e a estabilidade dos eletrocatalisadores”, diz o professor Shanmugam. “Vamos realizar os estudos de acompanhamento que podem ser usados para compreender o verdadeiro mecanismo de RCE sobre as espécies ativas na presença de revestimento de nanocarbono”

Este resultado da pesquisa foi publicado na edição online de Materiais Energéticos Avançados em 11 de janeiro de 2018, uma conceituada revista internacional na área de materiais emergentes.

Entrevista com o Professor Sangaraju Shanmugam (Departamento de Ciência Energética & Engenharia):

Q. Quais são as diferenças em relação aos estudos anteriores?

A. Nos estudos anteriores, os pesquisadores prepararam os metais revestidos de carbono de vários precursores, incluindo estruturas metal-orgânicas (MOFs). Os catalisadores obtidos exibem mais carbono com natureza gráfica reduzida, e o carbono cobriu os locais metálicos ativos. Assim, a maioria dos locais de metal ativo não são utilizados adequadamente pelas reações eletroquímicas. Além disso, devido à corrosão substancial do carbono, esses catalisadores não são adequados o suficiente para a RCE lenta na divisão da água no potencial positivo mais elevado com falta de instabilidade em condições eletrolíticas adversas. Assim, neste trabalho, preparamos as camadas finas de nanocarbono (NC), ricas em metal, encapsuladas em eletrocatalisador de nanoestruturas de Co@NC a partir de um único precursor análogo azul prussiano (PB). O Co@NC mostrou maior atividade de evolução de oxigênio e ultra-estabilidade no coletor atual de espuma de níquel. Em geral, as camadas finas e uniformes de carbono proporcionam os movimentos rápidos dos elétrons, maior utilização de locais metálicos ativos com fácil penetração de eletrólitos. Mais importante, ele pode proteger os locais metálicos ativos da corrosão com o mínimo de exposição e também a forte interação entre as camadas de metal e carbono exibe o efeito sinérgico para a excelente atividade e ultra-estabilidade (mais de 350 h) das nanoestruturas de Co@NC com menor possibilidade de oxidação de carbono.

Q. Como pode ser utilizado?

A. Baseado no notável desempenho de OER, cinética e estabilidade a longo prazo das nanoestruturas de Co@NC de concha de núcleo, em comparação com os eletrocatalisadores de última geração à base de metal nobre, como IrO2 e RuO2, é o candidato mais adequado para substituir eletrodos de OER de metal precioso para reduzir o custo total do sistema de eletrolíticos de água. Assim, o desenvolvimento de um electrocatalisador de metal não nobre eficiente e durável em electrólise de água é o principal obstáculo para o sucesso da comercialização de electrolisadores de água.

Q. Quanto tempo será necessário para a comercialização?

A. O processo está prontamente disponível para a fabricação de catalisadores de baixo custo. Mas ainda temos que avaliar a integração deste sistema catalítico em um eletrolítico de membrana de polímero. Estão em andamento estudos para entender o mecanismo de OER neste eletrocatalisador. Assim, para a comercialização, pode ser necessário um ano com completo entendimento da atividade e estabilidade.

Q. Quais são os desafios para a comercialização?

A. Temos que fazer o revestimento uniforme deste catalisador nos coletores de corrente de maior tamanho, sem qualquer descascamento. Portanto, precisamos encontrar uma metodologia de revestimento mais adequada. Também, como com os preciosos electrocatalisadores OER, temos de compreender o mecanismo preciso de OER sobre estes electrocatalisadores para manter/evitar perdas de actividade devido às indesejadas reacções laterais, etc.

Q. Qual é a motivação da sua pesquisa?

A. A motivação principal deste trabalho é substituir o precioso ânodo nos sistemas de electrólise de água com alta actividade e estabilidade. Assim, para melhorar a actividade e estabilidade, tentámos introduzir o revestimento de carbono muito fino nos locais activos do metal. Em geral, o desenvolvimento de eletrocatalisadores ricos em metal e carbono menos OER com utilização adequada de espécies metal-ativas e efeito sinérgico metal-carbono para superar a reação lenta do ânodo na eletrólise da água.

Q. Qual é o objetivo final que você gostaria de alcançar através desta pesquisa?

A. Com base nesta pesquisa, entendemos que os eletrocatalisadores ricos em metal estão entre os materiais mais adequados para uma excelente atividade de RCE. Portanto, queremos preparar os eletrocatalisadores anódicos mais baratos usando a mesma metodologia e eliminar o uso de eletrodos preciosos no sistema eletrolítico de água para a produção de hidrogênio verde e sustentável em grande escala.