Os cientistas desenvolvem uma nova estratégia para melhorar a catálise de oxidação da água

Uma equipe de pesquisa desenvolveu um catalisador de oxidação de água altamente estável e eficiente, marcando um grande avanço no campo da produção de hidrogênio verde through tecnologia de divisão de água.

O estudo deles foi publicado em Ciência Em 25 de abril. A equipe foi liderada pelo Prof. Yan Ya, do Instituto de Cerâmica de Shanghai da Academia Chinesa de Ciências, em colaboração com cientistas da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong, Shanghai Jiao Tong College e da Universidade de Auckland.

Oxidação da água – onde moléculas de água são divididos em gás, prótons e elétrons de oxigênio-é uma meia reação chave na divisão de água eletrolítica. No entanto, continua sendo um gargalo devido ao seu alto consumo de energia e cinética lenta, exigindo que catalisadores altamente eficientes superem essas barreiras.

Embora os catalisadores de transição de transição atuais exibam boa atividade para alcalina oxidação da águaeles geralmente se degradam rapidamente sob densidades de alta corrente de nível industrial, principalmente devido à distorção estrutural e à dissolução de locais de metais ativos em fortes condições oxidativas.

Para enfrentar esse desafio, os pesquisadores propuseram uma estratégia inovadora para equilibrar a alta atividade catalítica e a durabilidade simultaneamente sob densidades atuais de alto nível de nível industrial. Ao direcionar o enxerto, as estruturas orgânicas-metal cofE (MOF) em polioxometalatos de ponte de NI (POMs), eles construíram uma superestrutura MOF@POM.

Sob condições de oxidação da água, o MOF COFE sofre uma transformação in situ em um hidróxido duplo de camada de camada única (COFE-LDH), covalentemente ligada a unidades de POM através de pontes Ni-O. Assim, um catalisador de superestrutura de hidróxido de camada única altamente ativa e estável foi alcançada com sucesso.

A espectroscopia eletroquímica in situ revelou um processo catalítico sinérgico entre Co e Fe websites ativos e centros de ajuste NI e W. Os estados de valência do cobalto e ferro ativos catalíticos aumentam progressivamente durante a operação, enquanto os componentes de ajuste Ni -O e W -O passam por oscilações dinâmicas de valência.

O Análise sistemática mostrou que as unidades POM desempenham um papel crítico na estabilização do catalisador modulando densidade de elétrons e aliviar a tensão da treliça, formando juntos um mecanismo de estabilização dupla de cepa -elétron sinérgica e estabilizando efetivamente o catalisador em condições extremas.

O cofe-ldh@pom catalisador Desempenho excepcional demonstrado em eletrólitos alcalinos, exigindo apenas 178 mV superpotencial a ten mA/cm²Superando os catalisadores convencionais baseados em metais de transição. Quando integrado a um eletrolisador de membrana de troca ânion, o dispositivo exibiu 3 a/cm² Densidade de corrente com uma tensão celular de apenas 1,78 V a 80 ° C, excedendo o alvo industrial de 2025 do Departamento de Energia dos EUA.

Os testes de longo prazo destacaram ainda mais a robustez do sistema. O eletrolisador operou de forma estável por mais de 5.140 horas a 2 a/cm² em temperatura ambientecom uma taxa mínima de decaimento de tensão de apenas 0,02 mV/h. Mesmo a uma temperatura elevada de 60 ° C, o sistema manteve operação contínua por mais de 2.000 horas.

Este trabalho não apenas outline um novo benchmark para catalisadores de oxidação de água de alto desempenho, mas também estabelece uma estrutura de design para eletrocatalisadores de próxima geração, avançando a eletrólise de água alcalina em direção a operação em escala industrial, alta corrente e baixa energia.