Catalisadores auto-optimizados para a separação da água para a produção de hidrogénio verde

Catalisadores económicos e eficientes cujo desempenho aumenta surpreendentemente com o tempo

14.03.2025

Dandan Gao no laboratório com os seus colegas Christean Nickel (à esquerda) e David Leander Troglauer (à direita)

©: Jennifer Christina Schmidt

O hidrogénio é uma opção muito debatida no caminho para a produção de energia neutra em termos de CO₂. A eletricidade proveniente de fontes renováveis - principalmente energia eólica e solar - é utilizada em electrolisadores para decompor a água nos seus componentes oxigénio e hidrogénio armazenável. Os catalisadores são essenciais para dar início a esta reação. Até agora, têm sido utilizados óxidos de metais preciosos, como o dióxido de ruténio e o dióxido de irídio, mas são escassos e caros e decompõem-se facilmente em ambientes ácidos e alcalinos.

A Dra. Dandan Gao, líder do grupo de investigação júnior e bolseira Walter Benjamin da DFG na Universidade Johannes Gutenberg de Mainz (JGU), e a sua equipa desenvolveram, por isso, um catalisador alternativo: Utilizando cobalto e tungsténio, consiste em materiais facilmente acessíveis e de baixo custo. "O que é único é que, enquanto os catalisadores convencionais mantêm o seu desempenho - ou até perdem parte dele por não serem suficientemente estáveis - o nosso catalisador aumenta o seu desempenho ao longo do tempo", explica Dandan Gao. "Após a otimização, a atividade é ainda mais elevada do que com os catalisadores convencionais". Os resultados foram recentemente publicados na revista Angewandte Chemie.

Razões para a auto-otimização

Mas qual é a razão para esta extraordinária auto-otimização? Para responder a esta questão, os cientistas efectuaram investigações experimentais e teóricas. Entre outras coisas, descobriram que a natureza química do óxido de cobalto-tungsténio catalisador muda em resultado da separação da água: Enquanto o cobalto estava inicialmente presente principalmente como Co²⁺, ele se transformou cada vez mais em Co³⁺, e a proporção de W⁵⁺ para W⁶⁺ também mudou para o tungstênio. "Quando o hidrogénio é dividido, ocorrem duas reacções: a reação do hidrogénio e a reação do oxigénio. A reação de oxigênio é o gargalo para a reação geral, e é por isso que estamos motivados a desenvolver um catalisador avançado para ela ", diz Gao.

Embora a reação do oxigénio seja inicialmente impulsionada pelo sítio ativo do tungsténio, com o tempo esta reação passa para o sítio ativo do cobalto - a área de superfície ativa do catalisador também aumenta devido à separação da água. Podem também ser observadas alterações na hidrofilicidade da superfície: Torna-se mais amante da água, o que é, naturalmente, extremamente útil para a separação eletroquímica da água. "No geral, podemos observar uma redução significativa das sobretensões e um aumento das densidades de corrente, acompanhados por um aumento considerável da cinética da reação de evolução do oxigénio", resume Gao. Boas notícias para a produção de hidrogénio do futuro.

Financiamento do Programa Walter Benjamin da DFG

Dandan Gao é financiado pelo Programa Walter Benjamin da Fundação Alemã de Investigação (DFG) desde junho de 2023. Este programa permite que cientistas em fase de qualificação após o doutoramento realizem o seu próprio projeto de investigação de forma independente num local à sua escolha. A instituição de investigação anfitriã, neste caso a Universidade de Mainz, apoia o projeto.

O trabalho de investigação agora publicado foi também apoiado pela Fundação Carl Zeiss, pela Fundação Alexander von Humboldt e pela área de perfil SusInnoScience da JGU, abreviatura de "Sustainable chemistry as the key to innovation in resource-efficient science in the Anthropocene".

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Publicação original

Christean Nickel, David Leander Troglauer, Zsolt Dallos, Dhouha Abid, Kevin Sowa, Magdalena Ola Cichocka, Ute Kolb, Boris Mashtakov, Bahareh Feizi Mohazzab, Shikang Han, Leon Prädel, Lijie Ci, Deping Li, Xiaohang Lin, Minghao Hua, Rongji Liu, Dandan Gao; "Self‐optimizing Cobalt Tungsten Oxide Electrocatalysts toward Enhanced Oxygen Evolution in Alkaline Media"; Angewandte Chemie International Edition, 2025-2-12

https://www.chemeurope.com/pt/noticias/1185791/catalisadores-auto-optimizados-para-a-separaco-da-agua-para-a-produco-de-hidrogenio-verde.html