Nova água estável

Pesquisadores desenvolveram um catalisador de ânodo de dióxido de rutênio (Ni-RuO2) estabilizado com níquel para eletrólise de água com membrana de troca de prótons (PEM). O rutênio - um metal precioso mais abundante - serve como uma alternativa promissora ao mais raro e caro irídio - atualmente o catalisador de ânodo prático para eletrólise.

O catalisador Ni-RuO2 mostra alta atividade e durabilidade em OER ácido para eletrólise de água PEM. Embora o RuO2 puro apresente baixa estabilidade ácida OER e se degrade dentro de um curto período de operação contínua, a incorporação de Ni estabiliza muito a estrutura do RuO2 e estende sua durabilidade em mais de uma ordem de grandeza.

Um esquema mostra o eletrolisador de água experimental desenvolvido em Rice para usar um catalisador de rutênio dopado com níquel. Ilustração de Zhen-Yu Wu

Um artigo sobre o trabalho do laboratório do engenheiro químico e biomolecular Haotian Wang da Escola de Engenharia George R. Brown de Rice e colegas da Universidade de Pittsburgh e da Universidade da Virgínia foi publicado na Nature Materials.

Quando aplicado ao ânodo de um eletrolisador de água PEM, nosso catalisador Ni-RuO2 demonstrou estabilidade > 1.000 h sob uma corrente de divisão de água de 200 mA cm-2, sugerindo potencial para aplicações práticas. Estudos de teoria funcional de densidade, juntamente com análise de espectroscopia de massa eletroquímica diferencial operacional, confirmaram o mecanismo de evolução de adsorvato em Ni-RuO2, bem como o papel crítico de dopantes de Ni na estabilização de Ru superficial e oxigênio subsuperficial para maior durabilidade OER.

O irídio custa cerca de oito vezes mais do que o rutênio, disse Wang, e pode representar de 20% a 40% das despesas na fabricação de dispositivos comerciais, especialmente em futuras implantações em larga escala.

A separação da água envolve as reações de evolução do oxigênio e do hidrogênio pelas quais os catalisadores polarizados reorganizam as moléculas de água para liberar oxigênio e hidrogênio.

O cátodo é muito estável e não é um grande problema, mas o ânodo é mais propenso à corrosão ao usar um eletrólito ácido. Metais de transição comumente usados ​​como manganês, ferro, níquel e cobalto são oxidados e se dissolvem no eletrólito. É por isso que o único material prático usado em eletrolisadores comerciais de água com membrana de troca de prótons é o irídio. É estável por dezenas de milhares de horas, mas é muito caro.

O laboratório está trabalhando para melhorar seu catalisador de rutênio para encaixar nos processos industriais atuais.

Agora que atingimos esse marco de estabilidade, nosso desafio é aumentar a densidade de corrente em pelo menos cinco a 10 vezes, mantendo esse tipo de estabilidade. Isso é muito desafiador, mas ainda é possível.

A produção anual de irídio não nos ajudará a produzir a quantidade de hidrogênio de que precisamos hoje. Mesmo usando todo o irídio produzido globalmente, simplesmente não gerará a quantidade de hidrogênio de que precisaremos se quisermos que seja produzido por eletrólise da água. Isso significa que não podemos confiar totalmente no irídio. Temos que desenvolver novos catalisadores para reduzir seu uso ou eliminá-lo totalmente do processo.

Boyang Li, da Universidade de Pittsburgh, é o coautor principal do artigo. Os co-autores são Peng Zhu, estudante de pós-graduação de Rice; estudante de pós-graduação Shen-Wei Yu na Virgínia; o físico Zou Finfrock do Argonne National Laboratory; cientista Debora Motta Meira de Argonne e Canadian Light Source; O ex-aluno da Virgínia, Zhouyang Yin; e Qiang-Qiang Yan, Ming-Xi Chen, Tian-Wei Song e Hai-Wei Liang da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, Hefei. Os autores co-correspondentes são Sen Zhang, professor associado de química na Virgínia, e Guofeng Wang, professor de ciência mecânica e de materiais em Pittsburgh. Haotian Wang é o William Marsh Trustee Chair em Rice e professor assistente de engenharia química e biomolecular.

A pesquisa foi financiada pela Welch Foundation (C-2051-20200401), David and Lucile Packard Foundation (2020–71371), Roy E. Campbell Faculty Development Award, National Science Foundation (1905572, 2004808), University of Pittsburgh Center for Research Computing e Advanced Photon Source do Argonne National Laboratory.