Para reduzir as emissões de gases de efeito estufa e combater as mudanças climáticas, o mundo precisa urgentemente de fontes de energia limpas e renováveis. O hidrogênio é uma fonte de energia limpa que possui zero teor de carbono e armazena muito mais energia em peso que a gasolina. Um método promissor para produzir hidrogênio é a divisão da água eletroquímica, um processo que usa eletricidade para quebrar a água em hidrogênio e oxigênio. Em combinação com fontes de energia renovável, esse método oferece uma maneira sustentável de produzir hidrogênio e pode contribuir para a redução dos gases de efeito estufa.
Infelizmente, a produção de hidrogênio em larga escala usando esse método é atualmente inviável devido à necessidade de catalisadores feitos de metais de terras raras caras. Consequentemente, os pesquisadores estão explorando eletrocatalisadores mais acessíveis, como os feitos de diversos metais e compostos de transição. Entre estes, os fosfídios de metais de transição (TMPs) atraíram considerável atenção como catalisadores para o lado que gera hidrogênio do processo, conhecido como reação de evolução de hidrogênio (HER), devido às suas propriedades favoráveis. No entanto, eles têm um desempenho ruim na reação de evolução do oxigênio (OER), o que reduz a eficiência geral. Estudos anteriores sugerem que o boro (b) para o TMPS pode melhorar o desempenho dela e do REA, mas até agora, fazer esses materiais tem sido um desafio.
Em um avanço recente, uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Seunghyun Lee, incluindo o Sr. Dun Chan Cha, do campus da Universidade de Hanyang, na Coréia do Sul, desenvolveu um novo tipo de eletrocatalisador ajustável usando nano-fosfídeos de cobalto dopado B (Cop). Lee explica: “Desenvolvemos com sucesso nanomateriais baseados em fosfídeos cobalto, ajustando o doping de boro e o teor de fósforo usando estruturas metal-orgânicas. Esses materiais têm melhor desempenho e menor custo do que os eletrocatalisadores convencionais, tornando-os adequados para a produção de hidrogênio em larga escala”. O estudo deles foi publicado na revista Pequeno em 19 de março de 2025.
Os pesquisadores usaram uma estratégia inovadora para criar esses materiais, usando estruturas metálicas-orgânicas baseadas em cobalto (CO) (MOFs). “Os MOFs são excelentes precursores para projetar e sintetizar nanomateriais com a composição e estruturas necessárias”, observa o Sr. Cha. Primeiro, eles cresceram co-MOFs em espuma de níquel (NF). Eles então submeteram esse materials a uma reação de modificação pós-síntese (PSM) com boro-hidreto de sódio (NABH4), resultando na integração de B. Isso foi seguido por um processo de fosforização usando diferentes quantidades de hipofosfita de sódio (Nah2PO2), resultando na formação de três amostras de broffita b-fopped nebalt (nAh2Po2), resultando na formação de três amostras de broto-fosfito bropopped Nosfosfinos de broto-2), a formação de três amostras de broto-fosfita b-fopped nAfosfit nAffide nAnin), resultando na formação de três amostras de brow-fopped-fospalt (NAH2PO2), resultando na formação de três amostras de broto-fosco de broto-fospal.
As experiências revelaram que todas as três amostras tinham uma grande área de superfície e uma estrutura mesoporosa, características -chave que melhoram a atividade eletrocatalítica. Como resultado, todas as três amostras exibiram excelente OER e seu desempenho, com a amostra feita usando 0,5 gramas de Nah2PO2 (b-cop0.5@nc/nf) demonstrando os melhores resultados. Curiosamente, esta amostra exibiu superpotenciais de 248 e 95 mV para OER e ela, respectivamente, muito menor do que os eletrocatalisadores relatados anteriormente.
Um eletrolisador alcalino desenvolvido usando os eletrodos b-cop0.5@nc/NF mostrou um potencial celular de apenas 1,59 V a uma densidade de corrente de 10 mA CM-2, menor que muitos eletrolzers recentes. Além disso, em densidades de alta corrente acima de 50 mA CM-2, até superavam o eletrolisador RuO2/NF (+) de ponta (+) e 20% de Pt-C/NF (-), além de demonstrar estabilidade a longo prazo, mantendo seu desempenho por mais de 100 horas.
Os cálculos da teoria funcional da densidade (DFT) apoiaram esses achados e esclareceram o papel do dopagem B e do ajuste do conteúdo de P. Especificamente, o conteúdo de P e o conteúdo de P perfect levou a uma interação eficaz com os intermediários da reação, levando a um desempenho eletrocatalítico excepcional.
“Nossas descobertas oferecem um plano para projetar e sintetizar catalisadores de alta eficiência de próxima geração que podem reduzir drasticamente os custos de produção de hidrogênio”, diz o Prof. Lee. “Este é um passo importante para tornar a produção de hidrogênio verde em larga escala uma realidade, o que ajudará a reduzir as emissões globais de carbono e mitigar as mudanças climáticas.
