A forma das nanopartículas é um fator decisivo em sua eficiência como catalisadores para a produção de hidrogênio verde.
Até o momento, as nanopartículas como catalisadores de hidrogênio verde têm sido como remadores em oito: os pesquisadores só podiam medir seu desempenho médio, mas não conseguiam determinar qual era o melhor. Isso agora mudou após o desenvolvimento de um novo método pelo grupo liderado pela professora Kristina Tschulik, chefe da cadeira de eletroquímica e materiais em nanoescala da Ruhr University Bochum, na Alemanha. Em colaboração com pesquisadores da Universidade de Duisburg-Essen, ela provou com sucesso que as nanopartículas de óxido de cobalto em forma de cubo são mais eficientes do que as esféricas. Isso abre caminho para o projeto sistemático de catalisadores econômicos e eficientes para o hidrogênio verde. Os pesquisadores relatam na revista Materiais funcionais avançados a partir de 3 de janeiro de 2023.
Como tornar a eletrólise competitiva
O mundo deve reduzir o CO2 emissões para combater as mudanças climáticas. Para isso, hoje é amplamente utilizado o chamado hidrogênio cinza, obtido a partir do petróleo e do gás natural, enquanto se procura substituí-lo pelo hidrogênio verde, proveniente de fontes renováveis. O hidrogênio verde pode ser produzido por eletrólise, um processo em que a eletricidade é usada para dividir a água em hidrogênio e oxigênio. No entanto, vários desafios ainda precisam ser enfrentados para tornar a eletrólise uma abordagem competitiva. Atualmente, o processo de separação da água é eficiente apenas em um grau limitado 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. “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.
Vencedor da corrida de nanopartículas
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 separação 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”.
Teoria confirma experimento
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 químicas e de energia fóssil em direção a uma economia circular baseada em fontes de energia renováveis e altamente ativas, catalisadores de longa duração”, conclui Kristina Tschulik.
Com informações de Science Daily.