O transportador de energia hidrogênio pode ser obtido da água por eletrólise. Isto funciona particularmente bem com eletrocatalisadores de espinélio de cobalto contendo manganês. No entanto, não estava claro o porquê.
Os catalisadores convencionais para a produção de hidrogénio através da eletrólise da água geralmente contêm metais preciosos e são caros. No entanto, foram desenvolvidas alternativas mais baratas, por exemplo catalisadores de cobalto-manganês. Eles têm alta atividade e são estáveis por um longo período de tempo. O fator decisivo para estas características é o seu teor de manganês. Por que o manganês desempenha esse papel essencial era desconhecido há muito tempo. O mecanismo por trás disso foi agora decifrado por pesquisadores das instituições alemãs Ruhr University Bochum, dos Institutos Max Planck para Materiais Sustentáveis e de Conversão de Energia Química, Forschungszentrum Jülich e da Universidade de Duisburg-Essen. Eles relatam suas descobertas na revista Advanced Energy Materials de 7 de outubro de 2024.
A combinação de diferentes métodos foi a chave para o sucesso
Ao aplicar uma voltagem elétrica, a água pode ser dividida em hidrogênio e oxigênio. A etapa limitante nesta reação é a evolução do oxigênio. Assim, os pesquisadores estão procurando os catalisadores ideais para esta etapa de reação. Os eletrocatalisadores de cobalto com uma certa estrutura geométrica, a chamada estrutura espinélio, são normalmente ineficientes e não estáveis a longo prazo. No entanto, isso muda quando são dopados com manganês.
A equipe de pesquisa utilizou vários métodos para investigar o que exatamente acontece na superfície dos catalisadores durante a eletrólise da água. Eles trabalharam juntos no Collaborative Research Center 247 “Heterogeneous Oxidation Catalysis in the Liquid Phase”. “A união de forças com vários institutos permitiu-nos observar os processos na superfície do elétrodo com diferentes métodos – e esta combinação foi a chave para o sucesso, “diz o professor Tong Li, chefe de caracterização em escala atômica da Ruhr University Bochum. Ela é especialista em tomografia por sonda atômica, método que ajuda a visualizar a distribuição espacial dos materiais átomo por átomo. A equipe combinou este método com microscopia eletrônica de transmissão, absorção de estrutura fina de raios X e espectroscopia de fotoemissão de raios X.
Suba, desça: como um passageiro em um ônibus
O grupo mostrou que o manganês se dissolve da superfície do espinélio de cobalto durante a reação e depois se deposita nela. “É como um passageiro de um ônibus que entra e sai continuamente”, ilustra Tong Li.
Biao He et al.: Efeitos da transformação dinâmica da superfície na atividade e estabilidade de óxidos de espinélio cúbico de Co-Mn mistos na reação de evolução do oxigênio em meios alcalinos, em: Advanced Energy Materials, 2024, DOI: 10.1002/aenm.202403096
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