No futuro, o hidrogénio será necessário num sistema energético com impacto neutro no clima para armazenar energia, como combustível e como matéria-prima para a indústria química. Idealmente, deveria ser produzido de forma neutra para o clima, utilizando eletricidade gerada a partir do aproveitamento da energia photo voltaic ou eólica, através da eletrólise da água. A esse respeito, a eletrólise da água por membrana de troca de prótons (PEM-WE) é atualmente considerada uma tecnologia chave. Ambos os eletrodos são revestidos com eletrocatalisadores especiais para acelerar a reação desejada. Catalisadores à base de irídio são mais adequados para o ânodo, onde ocorre a lenta reação de evolução do oxigênio. No entanto, o irídio é um dos elementos mais raros do planeta e um dos maiores desafios é reduzir significativamente a procura deste metallic precioso. Uma análise aproximada mostrou que, para atender à demanda mundial de hidrogênio para transporte usando a tecnologia PEM-WE, os materiais anódicos à base de irídio não deveriam conter mais do que 0,05 mg.Ir/cm2. O atual melhor catalisador comercialmente disponível, feito de óxido de irídio, contém cerca de 40 vezes mais que esse valor alvo.
O catalisador P2X precisa de menos Iridium
Mas novas opções já estão em preparação: no âmbito do projeto Kopernikus P2X, um novo nanocatalisador eficiente à base de irídio foi desenvolvido pelo Grupo Heraeus, consistindo numa fina camada de óxido de irídio depositada sobre um suporte nanoestruturado de dióxido de titânio. O chamado ‘catalisador P2X’ requer apenas uma quantidade extremamente pequena de irídio, reduzindo substancialmente a carga de metais preciosos (quatro vezes menor do que no melhor materials comercial atual).
Uma equipe do HZB liderada pelo Dr. Raul Garcia-Diez e Prof. Marcus Bär, juntamente com colegas do síncrotron ALBA em Barcelona, estudaram o catalisador P2X, que mostra notável estabilidade mesmo em operação de longo prazo, e compararam sua assinatura catalítica e espectroscópica com o catalisador cristalino comercial de referência.
Operando medições no BESSY II
A equipe HZB investigou exaustivamente o catalisador de referência comercial, bem como o catalisador P2X no BESSY II durante a eletrólise da água (operando medições). “Queríamos observar como os dois materiais catalisadores diferentes mudam estrutural e eletronicamente durante a reação eletroquímica de evolução do oxigênio usando operando Ir L3espectroscopia de absorção de raios X (XAS)”, diz Marianne van der Merwe, pesquisadora da equipe de Bär. Eles também desenvolveram um novo protocolo experimental para garantir que os resultados sejam medidos em ambas as amostras exatamente sob a mesma taxa de produção de oxigênio. Isso tornou possível comparar os dois catalisadores em condições equivalentes.
Diferentes ambientes químicos explorados
“A partir dos dados de medição, pudemos concluir que os mecanismos para REA nas duas courses de catalisadores de óxido de irídio são diferentes, e isso é impulsionado pelos diferentes ambientes químicos dos dois materiais”, diz van der Merwe. Os dados de medição também mostram por que o catalisador P2X tem um desempenho ainda melhor em comparação com seu benchmark mais cristalino: na amostra P2X, os comprimentos de ligação entre o irídio e o oxigênio diminuem significativamente mais do que no catalisador de referência em potenciais relevantes de REA. Esta redução nos comprimentos das ligações Ir-O pode estar associada à participação de ambientes defeituosos que são propostos como atores-chave nas vias altamente ativas da reação de evolução do oxigênio.
“Além disso, as observações do estado eletrônico também se correlacionam com informações geométricas locais”, ressalta van der Merwe. “Nosso trabalho fornece informações importantes valiosas sobre os diferentes mecanismos de eletrocatalisadores à base de óxido de irídio durante a reação de evolução do oxigênio e aprofunda nossa compreensão do desempenho e estabilidade do catalisador, enquanto nossa recém-proposta abordagem de protocolo eletroquímico espectroscópico in situ é geralmente aplicável a todos os materiais anódicos estudados sob condições REA relevantes.”
