Os catalisadores auto-optimizados aumentam a eficiência da eletrólise da água
Os investigadores desenvolvem uma estrutura central para a conceção de catalisadores auto-activadores para a produção de hidrogénio verde
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Até que ponto podem os catalisadores auto-activados melhorar a produção de hidrogénio em electrolisadores? Investigadores da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) investigaram esta questão e os seus resultados foram recentemente publicados na famosa revista científica Advanced Energy Materials. "Estes catalisadores optimizam-se e melhoram ao longo do tempo de funcionamento", explicou o Dr. Dandan Gao do Departamento de Química da JGU. "Estamos, portanto, convencidos de que representam um novo paradigma para a produção de hidrogénio". No seu artigo de revisão, os investigadores consolidam sistematicamente, pela primeira vez, as principais caraterísticas da auto-ativação. Para tal, procederam a uma análise detalhada de 33 estudos publicados sobre a reação de evolução do oxigénio e de 17 estudos sobre a reação de evolução do hidrogénio. Ao fazê-lo, não só quantificaram as melhorias de desempenho obtidas com estes novos catalisadores, como também examinaram os mecanismos subjacentes e identificaram as forças motrizes subjacentes à atividade catalítica melhorada. "Os electrocatalisadores auto-activados têm o potencial de fazer avançar a produção de hidrogénio à escala, rentável e sustentável", afirmou Gao.
Uma perspetiva holística da reação
O hidrogénio verde é produzido utilizando electrolisadores, que dividem a água em hidrogénio e oxigénio em dois eléctrodos com a ajuda de eletricidade renovável. Os catalisadores asseguram que esta reação se processa da forma mais eficiente possível. Os catalisadores auto-activados, que revestem os eléctrodos e podem ser constituídos por uma grande variedade de substâncias, apresentam propriedades únicas e muito interessantes: o seu desempenho melhora continuamente durante o funcionamento. "No entanto, a compreensão da forma como a estrutura do catalisador influencia o seu desempenho tem sido limitada até à data", afirmou Gao. A maioria dos estudos anteriores centrou-se apenas numa meia-reação: a reação de evolução do oxigénio. "A nossa revisão é a primeira a examinar a conceção de catalisadores para a reação de evolução do oxigénio e para a reação de evolução do hidrogénio", explicou Gao.
Alterações na composição e estrutura do catalisador
Mas porque é que o desempenho do catalisador melhora com o tempo? Gao e a sua equipa descobriram que a difusão faz com que o material do catalisador se reorganize durante o funcionamento. "O material da água e do elétrodo difunde-se para o catalisador e vice-versa, o que significa que os diferentes materiais se misturam parcialmente. Esta reorganização é uma das razões para o aumento da eficiência", explicou Gao.
Além disso, os sais naturalmente presentes na água atacam a superfície do electrocatalisador, tornando-a mais ativa e eficaz para a reação desejada. Ao mesmo tempo, não só os materiais estranhos penetram na camada do catalisador, como a sua nanoestrutura também se altera - outro fator que contribui para a auto-otimização do catalisador. "A superfície do catalisador torna-se mais áspera e, portanto, maior ao longo do tempo, como resultado da electrocatálise. São expostos mais sítios activos, o que aumenta ainda mais a eficiência do catalisador", afirmou Gao.
Orientações para a investigação futura
Na sua publicação, os investigadores também olham para o futuro próximo. "Para fornecer aos investigadores orientações para os próximos passos, delineamos direcções futuras com base nas descobertas actuais, a fim de acelerar a produção sustentável de hidrogénio", afirmou Gao. Onde permanecem as lacunas de conhecimento que devem ser abordadas para permitir uma produção de hidrogénio escalável, rentável e sustentável?
Os investigadores também estabelecem uma base para transformar as actuais análises caso a caso em protocolos padronizados, tornando assim a investigação futura mais eficiente. Por exemplo, propõem tabelas normalizadas nas quais os mecanismos de reação e as principais conclusões podem ser sistematicamente documentados.
Novas abordagens: eletrólise da água do mar
Gao e a sua equipa também discutem novas abordagens à eletrólise utilizando catalisadores auto-activados, incluindo a eletrólise da água do mar, em que é utilizada água do mar em vez de água doce como eletrólito. Normalmente, isto é um desafio porque os iões de cloreto presentes na água do mar atacam e danificam os catalisadores convencionais. No entanto, no caso dos catalisadores auto-activados, o ataque dos iões de cloreto no elétrodo ou na superfície do catalisador pode ser benéfico. Em vez de causar degradação, os iões podem interagir com a superfície do material de forma a melhorar a estabilidade e a eficiência catalítica. Isto deve-se ao facto de os iões influenciarem deliberadamente a estrutura eletrónica e o comportamento de reação do material. "Esperamos que os catalisadores auto-activados estejam prontos para aplicação industrial num futuro próximo", disse Gao, "e assim tornar a produção de hidrogénio mais rentável e sustentável".
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