Hidrogénio verde: um material estruturado em gaiola transforma-se num catalisador de alto desempenho
Descoberta uma classe muito interessante de materiais para electrocatalisadores?
Os clatratos caracterizam-se por uma estrutura complexa em forma de gaiola que proporciona espaço também para os iões convidados. Agora, pela primeira vez, uma equipa investigou a adequação dos clatratos como catalisadores para a produção electrolítica de hidrogénio, com resultados impressionantes: a amostra de clatratos foi ainda mais eficiente e robusta do que os catalisadores à base de níquel atualmente utilizados. Encontraram também uma razão para este melhor desempenho. As medições efectuadas no BESSY II mostraram que os clatratos sofrem alterações estruturais durante a reação catalítica: a estrutura tridimensional em gaiola transforma-se em nanofolhas ultrafinas que permitem um contacto máximo com os centros catalíticos activos. O estudo foi publicado na revista "Angewandte Chemie".
O hidrogénio pode ser produzido por eletrólise da água. Se a energia eléctrica necessária para este processo for proveniente de fontes renováveis, este hidrogénio é mesmo neutro em termos de carbono. Este hidrogénio "verde" é visto como um elemento importante para o sistema energético do futuro e é também necessário em grandes quantidades como matéria-prima para a indústria química. Duas reacções são cruciais na eletrólise: a evolução do hidrogénio no cátodo e a evolução do oxigénio no ânodo (OER). No entanto, a reação de evolução do oxigénio, em particular, torna o processo desejado mais lento. Para acelerar a produção de hidrogénio, é necessário desenvolver catalisadores mais eficientes e robustos para o processo OER.
Clatratos, uma estrutura constituída por gaiolas
Atualmente, os compostos à base de níquel são considerados catalisadores bons e baratos para a reação alcalina de evolução do oxigénio. É aqui que entra o Dr. Prashanth Menezes e a sua equipa. O contacto entre os centros activos de níquel e o eletrólito desempenha um papel crucial na eficiência de um catalisador", afirma o químico. Nos compostos de níquel convencionais, esta área de superfície é limitada. Por isso, quisemos testar se as amostras que contêm níquel da fascinante classe de materiais conhecidos como clatratos poderiam ser utilizadas como catalisadores".
Os materiais são feitos de Ba8Ni6Ge40 e foram produzidos na Universidade Técnica de Munique. Como todos os clatratos, caracterizam-se por uma estrutura cristalina complexa de gaiolas poliédricas, neste caso, formadas por germânio e níquel, envolvendo bário. Esta estrutura confere aos clatratos propriedades especiais que os tornam interessantes como termoeléctricos, supercondutores ou eléctrodos de baterias. No entanto, até agora, nenhum grupo de investigação tinha considerado a possibilidade de investigar os clatratos como electrocatalisadores.
Experiências em universidades e BESSY II
As medições electroquímicas mostraram que o Ba₈Ni₆Ge₄₀ como catalisador excedeu a eficiência dos catalisadores à base de níquel a uma densidade de corrente de 550 mA cm-², um valor também utilizado na eletrólise industrial. A estabilidade também foi notavelmente elevada: mesmo após 10 dias de funcionamento contínuo, a atividade não diminuiu significativamente.
A equipa utilizou uma combinação de experiências para descobrir a razão pela qual o material é tão bem adaptado. No BESSY II, estudaram as amostras utilizando a espetroscopia de absorção de raios X (XAS) in situ, enquanto a caraterização estrutural básica foi efectuada na Freie e na Technische Universität Berlin.
Da gaiola à esponja
As suas análises mostraram que as partículas Ba8Ni6Ge40 no eletrólito aquoso sofrem uma transformação estrutural sob um campo elétrico: os átomos de germânio e de bário dissolvem-se da antiga estrutura tridimensional. Os átomos de germânio e de bário constituem quase 90 % do material de partida do clatrato e são completamente lavados, deixando para trás nano-camadas altamente porosas, semelhantes a esponjas, dos restantes 10 % de níquel, que oferecem uma área de superfície máxima", afirma o Dr. Niklas Hausmann da equipa de Menezes. Esta transformação coloca cada vez mais centros de níquel cataliticamente activos em contacto com o eletrólito.
Ficámos realmente surpreendidos com o bom funcionamento destas amostras como catalisadores OER. Esperamos poder observar resultados semelhantes com outros clatratos de metais de transição e descobrimos uma classe muito interessante de materiais para electrocatalisadores", afirma Menezes.
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Publicação original
Ziliang Chen, Hongyuan Yang, J. Niklas Hausmann, Stefan Mebs, Viktor Hlukhyy, Holger Dau, Matthias Driess, Prashanth W. Menezes; "Ba‐Ni‐Ge Clathrate Transformation Maximizes Active Site Utilization of Nickel for Enhanced Oxygen Evolution Performance"; Angewandte Chemie International Edition, 2025-3-26
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