Conceção de um catalisador inspirado numa bateria de chumbo-ácido
RuIrOx dopado com Pb para uma evolução eficiente e duradoura do oxigénio ácido em electrolisadores de membrana de permuta de protões a 3 A/cm2
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Uma equipa internacional de investigadores do Laboratório de Materiais do Lago Songshan (SLAB), do Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências e do Laboratório Ibérico Internacional de Nanotecnologia desenvolveu um novo catalisador de óxido de ruténio-irídio dopado com chumbo (RuIrPbOₓ) que exibe uma estabilidade e eficiência excepcionais para reacções de evolução do oxigénio (OER) em electrolisadores de água com membrana de permuta de protões (PEMWEs) que operam a altas densidades de corrente de 3 A/cm². Este trabalho aborda desafios de longa data em termos de durabilidade e desempenho do catalisador em condições ácidas e adversas, abrindo caminho para tecnologias de produção de hidrogénio mais fiáveis e rentáveis.
A produção de hidrogénio através da eletrólise da água por membrana de permuta de protões é uma solução de energia limpa bem conhecida e promissora. No centro desta tecnologia estão os catalisadores que facilitam a reação de evolução do oxigénio (OER) em condições altamente ácidas. Atualmente, os catalisadores mais avançados, baseados principalmente em óxidos de ruténio e de irídio, têm demonstrado uma elevada atividade, mas sofrem de problemas significativos de durabilidade quando funcionam a altas densidades de corrente. A sua degradação estrutural, incluindo a participação do oxigénio na rede e a lixiviação de metais, limita o tempo de vida operacional e impede a sua utilização prática. Além disso, o equilíbrio entre atividade, estabilidade e custo continua a ser um desafio persistente, em grande parte devido à natureza corrosiva do ambiente e à escassez de metais nobres.
Atualmente, a maior parte dos electrolisadores PEM recorre a catalisadores à base de irídio porque o IrO₂ consegue suportar o ambiente ácido corrosivo. No entanto, o irídio é um dos elementos mais raros e mais caros da Terra, e a sua cadeia de abastecimento global é vulnerável a flutuações geopolíticas. O ruténio, embora mais abundante e ativo, sofre de rápida dissolução sob alta tensão, formando espécies solúveis de RuO₄ que levam a uma rápida degradação. Investigadores de todo o mundo têm procurado formas de estabilizar os catalisadores de óxido de Ru-Ir ou substituir completamente o irídio - mas manter uma atividade elevada e uma durabilidade a longo prazo sob densidades de corrente industriais continua a ser um desafio formidável.
RuIrPbOx como catalisadores anódicos para PEMWE.
Fei Lin and Lifeng Liu from Songshan Lake Materials Laboratory.
A solução
Inspirando-se na química robusta das baterias de chumbo-ácido, os investigadores doparam átomos de chumbo na rede de óxido de Ru-Ir através de um simples processo sol-gel. Os átomos de chumbo actuam como estabilizadores electrónicos, ajustando a estrutura local dos sítios de ruténio e impedindo a sua dissolução, um modo de falha fundamental nos catalisadores convencionais.
A caraterização avançada revelou que a dopagem óptima de Pb suprime a participação destrutiva do oxigénio da rede na reação de evolução do oxigénio, preservando a integridade do catalisador. Os cálculos da teoria do funcional da densidade (DFT) confirmaram ainda que a dopagem com Pb reduz a covalência Ru-O e aumenta a energia de dissolução do Ru, impedindo efetivamente a lixiviação do Ru. Quando integrado em um eletrolisador PEM completo, este catalisador permitiu a eletrólise da água a 1,96 V @ 3 A cm-², superando os eletrodos comerciais de IrO₂ e RuO₂ enquanto usava significativamente menos metais preciosos. A carga total de metal do grupo da platina (Pt + Ru + Ir) foi reduzida para 0,17 mg W-¹, aproximando-se da meta do DOE 2026 dos EUA e superando a meta de hidrogênio limpo da UE 2030 para PEMWE.
O futuro
O trabalho futuro centrar-se-á no aumento da escala do fabrico de eléctrodos e na otimização da integração do catalisador em pilhas PEM de grande área. A equipa também planeia explorar dopantes alternativos e estratégias de nanoestruturação para reduzir ainda mais o consumo de metais preciosos e melhorar o desempenho a densidades de corrente ainda mais elevadas.
Estes estudos visam acelerar a implantação industrial de electrolisadores de água PEM alimentados por energia renovável - um passo essencial para uma economia global de hidrogénio verde.
O impacto
Esta descoberta demonstra uma via prática para a produção de catalisadores eficientes e duradouros para a eletrólise de água ácida, ultrapassando um dos principais obstáculos à produção de hidrogénio verde em grande escala. Ao combinar redução de custos, capacidade de alta densidade de corrente e estabilidade excecional, o catalisador de óxido de Ru-Ir modificado com chumbo estabelece uma nova referência para a tecnologia de electrolisadores da próxima geração.
O trabalho não só faz avançar a compreensão fundamental dos mecanismos de estabilidade dos óxidos de metais preciosos, como também fornece um modelo para a conceção de electrocatalisadores robustos para sistemas industriais de energias renováveis.
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
Jingwei Wang, Kaiyang Xu, Zhipeng Yu, Hang Cui, Haoliang Huang, Chenyue Zhang, Run Ran, Liyuan Zeng, Yang Zhao, Xinyi Xiang, Weifeng Su, Yaowen Xu, Sitaramanjaneya Mouli Thalluri, Fei Lin, Lifeng Liu; "Lead-doped ruthenium-iridium oxide catalysts for durable acidic oxygen evolution in proton exchange membrane electrolyzers at 3 A/cm2"; Materials Futures, 2025-11-3
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