Hidrogénio verde: o MXene aumenta a eficácia dos catalisadores
Caminho promissor para uma nova classe de catalisadores
Os MXenes são capazes de alojar partículas cataliticamente activas. Esta propriedade pode ser explorada para criar materiais catalisadores mais potentes que aceleram e melhoram significativamente a reação de evolução do oxigénio, que é um dos pontos de estrangulamento na produção de hidrogénio verde através da eletrólise utilizando energia solar ou eólica. Um estudo pormenorizado realizado por uma equipa internacional liderada pela química do HZB, Michelle Browne, mostra o potencial destes novos materiais para futuras aplicações em grande escala. O estudo foi publicado na revista Advanced Functional Materials.
O hidrogénio verde está destinado a desempenhar um papel importante no futuro sistema energético: pode ser utilizado para armazenar energia química, como matéria-prima para a indústria química e para produzir combustíveis respeitadores do clima. O hidrogénio verde pode ser produzido de uma forma quase neutra para o clima se a energia utilizada para a eletrólise - o processo de divisão da água nos seus elementos - for proveniente da energia solar ou eólica. No entanto, são necessários catalisadores especiais para acelerar a formação de hidrogénio e oxigénio nos dois eléctrodos. Em particular, a reação de evolução do oxigénio é lenta e exigiria muito mais energia sem catalisadores eficazes. Atualmente, esses catalisadores são fabricados a partir de metais preciosos, que são raros e caros. Para que o hidrogénio verde possa ser produzido nas quantidades necessárias a um preço razoável, são necessários catalisadores feitos de elementos facilmente disponíveis.
Estruturas escamosas
Na HZB, uma equipa liderada por Michelle Browne está a desenvolver alternativas sofisticadas baseadas nos chamados MXenes. Os MXenes são estruturas escamosas feitas de carbono e dos chamados metais de transição. As partículas catalíticas activas podem aderir às superfícies internas dos MXenes, aumentando assim o seu efeito catalítico. Um novo estudo publicado na revista Advanced Functional Materials mostra agora que esta ideia funciona.
O primeiro autor do estudo, Can Kaplan, utilizou diferentes variantes de um MXene de carboneto de vanádio como base para a sua investigação. Durante o seu doutoramento, Can Kaplan aproveitou a oportunidade para realizar investigação no laboratório dos parceiros suecos da Universidade de Linköping, no âmbito de um programa de intercâmbio durante o seu doutoramento.
O papel das vagas
"Lá, sintetizámos duas variantes de MXene: V2CTx puro e V1.8CTx com 10% de vacâncias de vanádio. Estas vacâncias de vanádio asseguram que a área de superfície interna desta variante é significativamente maior", explica Can Kaplan.
Incorporação de CoFe em MXene
No laboratório HZB de Michelle Browne, Kaplan desenvolveu um processo químico em várias etapas para incorporar partículas de catalisador Co0.66Fe0.34 no MXene. As imagens tiradas com um microscópio eletrónico de varrimento mostram que este processo foi bem sucedido; os MXene puros têm uma estrutura tipo pastelaria, mas esta alterou-se significativamente devido à incorporação das partículas de cobalto-ferro.
Melhor eficiência: CoFe no MXene deficiente em vanádio
A equipa investigou então o efeito das diferentes amostras de catalisador utilizadas durante a eletrólise: ferro-cobalto puro e misturado com uma das duas variantes de MXene. Os resultados foram muito claros: também o composto puro de ferro-cobalto actua como catalisador. No entanto, quando incorporado em MXene, o efeito catalítico aumenta significativamente. E a eficiência é ainda maior quando o composto ferro-cobalto é incorporado em MXene com numerosas vacâncias.
Utilizando a espetroscopia de absorção de raios X in situ na fonte de sincrotrão SOLEIL, em França, a equipa conseguiu acompanhar as alterações nos números de oxidação do cobalto e do ferro durante a reação electrolítica.
Caminho promissor para uma nova classe de catalisadores
Testámos estes catalisadores tanto à escala laboratorial como num eletrolisador muito maior", sublinha Kaplan. Isto torna os nossos resultados realmente significativos e interessantes para aplicações industriais".
Atualmente, a indústria ainda não considerou o MXene como material de transporte para partículas cataliticamente activas no radar", afirma Michelle Browne. Estamos a realizar investigação básica, mas com perspectivas claras: aplicações. Os nossos resultados forneceram agora uma primeira visão da complexa interação entre a estrutura do suporte, a incorporação de partículas cataliticamente activas e a atividade catalítica". O MXene é um candidato promissor para o desenvolvimento de catalisadores inovadores, altamente eficientes e económicos, conclui Michelle Browne.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
Can Kaplan, Karuppasamy Dharmaraj, Thorsten Schultz, Leiqiang Qin, Ningjun Chen, Danielle A. Douglas‐Henry, Bastian Schmiedecke, Merve Buldu‐Akturk, Axel Zuber, Iris Dorbandt, Maximilian Reinhardt, Yael Rodriguez‐Ayllon, Yan Lu, Valeria Nicolosi, Norbert Koch, Johanna Rosen, Michelle P. Browne; "Enhancing CoFe Catalysts with V2CTX MXene‐Derived Materials for Anion Exchange Membrane Electrolyzers"; Advanced Functional Materials, 2025-5-15
Outras notícias do departamento ciência
