Novo catalisador revela o poder oculto da água para a geração de hidrogênio verde

A eletrólise da água oferece um caminho para gerar hidrogênio verde que pode ser alimentado por energias renováveis ​​e eletricidade limpa. Este processo precisa de catalisadores catódicos e anódicos para acelerar as reações, de outra forma ineficientes, de divisão e recombinação da água em hidrogênio e oxigênio, respectivamente. Desde a sua descoberta precoce no final do século XVIII^º século, a eletrólise da água amadureceu em diferentes tecnologias. Uma das implementações mais promissoras da eletrólise da água é a membrana de troca de prótons (PEM), que pode produzir hidrogênio verde combinando altas taxas e alta eficiência energética.

Até à data, a eletrólise da água, e em particular o PEM, tem exigido catalisadores baseados em elementos escassos e raros, como a platina e o irídio, entre outros. Apenas alguns compostos combinam a atividade e a estabilidade exigidas no ambiente químico hostil imposto por esta reação. Isto é especialmente desafiador no caso de catalisadores anódicos, que precisam operar em ambientes ácidos altamente corrosivos – condições onde apenas os óxidos de irídio mostraram operação estável nas condições industriais exigidas. Mas o irídio é um dos elementos mais escassos do planeta.

Na busca por possíveis soluções, uma equipe de cientistas deu recentemente um passo importante para encontrar alternativas aos catalisadores de irídio. Esta equipe multidisciplinar conseguiu desenvolver uma nova maneira de conferir atividade e estabilidade a um catalisador livre de irídio, aproveitando propriedades da água até agora inexploradas. O novo catalisador alcança, pela primeira vez, estabilidade na eletrólise da água PEM em condições industriais sem o uso de irídio.

Esta descoberta, publicada em Ciência, foi realizado pelos pesquisadores do ICFO Ranit Ram, Dr. Lu Xia, Dr. . Pelayo García de Arquer; e inclui importantes colaborações do Instituto de Pesquisas Químicas da Catalunha (ICIQ), do Instituto Catalão de Ciência e Tecnologia (ICN₂), Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica (CNRS), Diamond Light Source e Instituto de Materiais Avançados (INAM).

Lidando com a acidez

Combinar atividade e estabilidade em ambiente altamente ácido é um desafio. Os metais do catalisador tendem a se dissolver, pois a maioria dos materiais não são termodinamicamente estáveis ​​em pH baixo e potencial aplicado, em ambiente aquático. Os óxidos de irídio combinam atividade e estabilidade nessas condições adversas e é por isso que são a escolha predominante para ânodos na eletrólise da água por troca de prótons.

A busca por alternativas ao irídio não é apenas um importante desafio aplicado, mas fundamental. Intensas pesquisas na busca por catalisadores não-irídios levaram a novos insights sobre os mecanismos de reação e degradação, especialmente com o uso de sondas que pudessem estudar os catalisadores durante a operação combinadas com modelos computacionais. Isso levou a resultados promissores usando materiais à base de manganês e óxido de cobalto, e explorando diferentes estruturas, composições e dopantes, para modificar as propriedades físico-químicas dos catalisadores.

Embora perspicazes, a maioria desses estudos foi realizada em fundamental reatores não escaláveis ​​e operando em mais suave condições distantes da aplicação final, principalmente em termos de densidade de corrente. A demonstração de atividade e estabilidade com catalisadores sem irídio em reatores PEM e em condições operacionais relevantes para PEM (alta densidade de corrente) permaneceu até o momento ilusória.

Para superar isso, o ICFO, ICIQ, ICN₂, CNRS, Diamond Light Source e pesquisadores do INAM criaram uma nova abordagem no projeto de catalisadores sem irídio, alcançando atividade e estabilidade em meios ácidos. A estratégia deles, baseada no cobalto (muito abundante e barato), era bem diferente dos caminhos comuns.

“O projeto do catalisador convencional normalmente se concentra na mudança da composição ou da estrutura dos materiais empregados. Aqui, adotamos uma abordagem diferente. Projetamos um novo material que envolve ativamente os ingredientes da reação (água e seus fragmentos) em sua estrutura. Nós descobriram que a incorporação de água e fragmentos de água na estrutura do catalisador pode ser adaptada para proteger o catalisador nessas condições desafiadoras, permitindo assim uma operação estável em altas densidades de corrente que são relevantes para aplicações industriais”, explica o professor do ICFO, García de Arquer . Com sua técnica, que consiste em um processo de delaminação que troca parte do material por água, o catalisador resultante apresenta-se como uma alternativa viável aos catalisadores à base de irídio.

Uma nova abordagem: o processo de delaminação

Para obter o catalisador, a equipe investigou um óxido de cobalto específico: óxido de cobalto-tungstênio (CoWO₄), ou em resumo CWO. Neste material de partida, eles projetaram um processo de delaminação usando soluções básicas de água em que óxidos de tungstênio (WO₄^2-) seria removido da rede e trocado por água (H₂O) e hidroxila (OH^–) grupos em um ambiente básico. Este processo pode ser ajustado para incorporar diferentes quantidades de H₂Ó e OH^– no catalisador, que seria então incorporado aos eletrodos anódicos.

A equipe combinou diferentes espectroscopias baseadas em fótons para compreender esta nova classe de material durante a operação. Usando Raman infravermelho e raios X, entre outros, eles conseguiram avaliar a presença de encurralado grupos água e hidroxila, e obter insights sobre seu papel conferindo atividade e estabilidade para a divisão da água em ácido. “Ser capaz de detectar a água retida foi realmente um desafio para nós”, continua o co-autor Dr. Anku Guha.