Novo catalisador híbrido desenvolvido para produção de oxigênio limpo

Uma equipe de pesquisa do Instituto de Química de Materiais da TU Wien, liderada pelo professor Dominik Eder, desenvolveu uma nova abordagem sintética para criar materiais de estrutura híbrida duráveis, condutores e cataliticamente ativos para divisão de água (foto) eletrocatalítica. O estudo é publicado em Comunicações da Natureza.

O desenvolvimento de tecnologias para vetores de energia sustentáveis, como o hidrogénio, é essencial. Uma maneira promissora de produzir hidrogênio (H₂) é da divisão da água em H₂ e oxigênio (O₂), seja eletroquimicamente ou usando luz, ou ambos – um caminho que a equipe segue. No entanto, este processo requer um catalisador que acelere a reação sem ser consumido. Os principais critérios para um catalisador incluem uma grande área superficial para a adsorção e divisão de moléculas de água e durabilidade para uso a longo prazo.

Estruturas zeolíticas de imidazolato (ZIFs), uma classe de materiais híbridos orgânicos/inorgânicos com interfaces moleculares e numerosos poros, oferecem áreas superficiais recordes e amplos locais de adsorção para água como catalisadores. Eles consistem em íons metálicos únicos, como os íons de cobalto, que são conectados por moléculas orgânicas específicas, chamadas ligantes, por meio do que é chamado de ligações de coordenação. Os ZIFs convencionais contêm apenas um único tipo de ligante orgânico.

“Esses ZIFs muitas vezes carecem de estabilidade na água sob condições eletrocatalíticas para garantir a aplicação a longo prazo. Além disso, sua condutividade eletrônica bastante baixa também limita sua eficácia em aplicações eletrocatalíticas”, diz Eder.

Para enfrentar esses desafios, a equipe desenvolveu uma forma de projetar ZIFs usando dois ou mais ligantes orgânicos. “Precisávamos ter cuidado para misturar ambos os ligantes de uma forma que criasse uma distribuição uniforme em toda a estrutura, preservando ao mesmo tempo a estrutura ZIF unique”, explica Zheao Huang, principal autor do estudo. Portanto, a equipe investigou exaustivamente uma série de combinações de ligantes e parâmetros de processo e finalmente conseguiu identificar o par de ligantes mais adequado.

Benefícios sinérgicos da mistura de dois ligantes orgânicos

Os autores descobriram que esta modificação melhorou significativamente a estabilidade do ZIF, estendendo sua durabilidade durante a divisão eletrocatalítica da água de alguns minutos para pelo menos um dia.

Através de investigações aprofundadas usando uma ampla gama de instrumentos espectroscópicos e técnicas microscópicasapoiado pela teoria computacional em colaboração com a Central China Regular College, a equipe observou que a mistura precisa dos dois ligantes fortaleceu sinergicamente a ligação de coordenação com o metallic cobalto. Como resultado, a estrutura porosa não entrou em colapso durante os testes (foto)eletrocatalíticos.

“Em vez disso, observamos que após apenas alguns minutos de reação, uma película muito fina de apenas alguns nanômetros, feita de oxihidróxido de cobalto, foi formada na superfície das nanopartículas ZIF, o que evitou maior degradação e colapso”, diz Huang.

Além disso, a combinação de dois ligantes aumentou a condutividade do materials ZIF em 10 vezes, aumentando consequentemente também a taxa de reação de evolução de oxigênio (OER) em 10 vezes.

“Simulações revelaram que os dois ligantes interagir de forma sinérgica, criando uma alta densidade de portadores de carga móvel em todo o materials”, explica Eder. “Embora esperássemos algumas melhorias com esta nova estratégia, ficamos surpresos com o quanto ela melhorou o desempenho (foto)eletrocatalítico dos ZIFs. “

A equipe está agora explorando esta abordagem versátil para outros ZIFs, bem como estruturas metal-orgânicas (MOFs) que também carecem de estabilidade e condutividade em aplicações eletrocatalíticas e (foto)eletrocatalíticas. Esta abordagem inovadora abre possibilidades interessantes para projetar materiais avançados para tecnologias de catálise, detecção e conversão de energia photo voltaic, aproximando-nos das aplicações do mundo actual.