As melhores partículas de catalisador: os cubos superam as esferas

Por Ruhr-University Bochum 5 de fevereiro de 2023

Eletrocatalisadores são substâncias que aceleram reações químicas em células eletroquímicas. Eles são componentes cruciais em muitas tecnologias de conversão e armazenamento de energia, como células de combustível, baterias e eletrolisadores, pois melhoram a eficiência e a estabilidade desses sistemas.

Na luta contra as alterações climáticas, a redução das emissões de CO2 é crucial. Atualmente, o hidrogênio cinza, produzido a partir do petróleo e do gás natural, é amplamente utilizado, mas há esforços para substituí-lo pelo hidrogênio verde, gerado a partir de fontes renováveis. O hidrogênio verde é produzido por eletrólise, um processo em que a eletricidade divide a água em hidrogênio e oxigênio. Apesar de seu potencial, vários desafios devem ser superados para tornar a eletrólise uma opção viável.

Atualmente, o processo de separação da água é eficiente apenas até certo ponto, e não há catalisadores poderosos, duráveis ​​e econômicos suficientes para isso.

"Atualmente, os eletrocatalisadores mais ativos são baseados nos raros e caros metais preciosos irídio, rutênio e platina", lista Kristina Tschulik. "Como pesquisadores, nosso trabalho é, portanto, desenvolver novos eletrocatalisadores altamente ativos, livres de metais preciosos."

Seu grupo de pesquisa estuda catalisadores na forma de nanopartículas de óxido de metal base que são um milhão de vezes menores que um fio de cabelo humano. Fabricados em escala industrial, variam em forma, tamanho e composição química.

Kristina Tschulik (esquerda) e Hatem Amin estão investigando nanopartículas como catalisadores de hidrogênio verde. Crédito: © RUB, Marquard

"Usamos medições para examinar as chamadas tintas catalisadoras, nas quais bilhões de partículas são misturadas com aglutinantes e aditivos", descreve Kristina Tschulik. Este método permite apenas aos pesquisadores medir um desempenho médio, mas não a atividade de partículas individuais – que é o que realmente importa.

"Se soubéssemos qual forma de partícula ou faceta de cristal - as superfícies que apontam para fora - é mais ativa, poderíamos produzir especificamente partículas com essa forma exata", diz o Dr. Hatem Amin, pesquisador de pós-doutorado em química analítica na Ruhr University Bochum.

O grupo de pesquisa desenvolveu um método para analisar partículas individuais diretamente em solução. Isso permite que eles comparem a atividade de diferentes nanomateriais entre si, a fim de entender a influência das propriedades das partículas, como sua forma e composição, na divisão da água. “Nossos resultados indicam que as partículas de óxido de cobalto na forma de cubos individuais são mais ativas do que as esferas, já que as últimas sempre têm várias outras facetas menos ativas”.

As descobertas experimentais do grupo Bochum foram confirmadas pelos seus parceiros de cooperação chefiados pela Professora Rossitza Pentcheva da Universidade de Duisburg-Essen como parte do Collaborative Research Centre/Transregio 247. As análises teóricas deste último indicam uma mudança nas regiões do catalisador ativo, nomeadamente do cobalto átomos que estão rodeados por átomos de oxigénio formando um octaedro a átomos de cobalto que estão rodeados por um tetraedro.

"Nossas percepções sobre a correlação entre forma de partícula e atividade estabelecem as bases para o design baseado em conhecimento de materiais catalisadores viáveis ​​e, consequentemente, para a transformação de nossas indústrias de energia fóssil e química em direção a uma economia circular baseada em fontes de energia renováveis ​​e altamente ativa. , catalisadores de longa duração", conclui Kristina Tschulik.

Referência: "Atividade intrínseca dependente de faceta de nanopartículas únicas de Co3O4 para reação de evolução de oxigênio (Adv. Funct. Mater. 1/2023)" por Zhibin Liu, Hatem MA Amin, Yuman Peng, Manuel Corva, Rossitza Pentcheva e Kristina Tschulik, 3 de janeiro 2023, Materiais Funcionais Avançados. DOI: 10.1002/adfm.202370006