UT El Paso

Pesquisadores liderados por engenheiros da Universidade do Texas em El Paso (UTEP) propuseram um material à base de níquel de baixo custo inspirado em cactos para ajudar a dividir a água de maneira mais barata e eficiente. O material é descrito em um artigo na revista ACS Applied Materials & Interfaces.

As técnicas atuais de eletrólise para dividir a água dependem fortemente da platina como catalisador, que é muito cara e não é viável para uso em larga escala devido ao seu preço, disse o professor de engenharia mecânica da UTEP Ramana Chintalapalle, Ph.D., que liderou o estudo .

O principal autor, Navid Attarzadeh, notou pela primeira vez o cacto de pera espinhosa enquanto caminhava para o laboratório do Centro de Pesquisa de Materiais Avançados da UTEP. A equipe vinha explorando o níquel como substituto catalítico da platina, um metal abundante na Terra e 1.000 vezes mais barato que a platina. O níquel, no entanto, não é tão rápido e eficaz na quebra da água em hidrogênio.

Todos os dias, eu passava por esta mesma planta. E comecei a conectá-lo ao nosso problema de catalisador. O que me chamou a atenção foi o tamanho das folhas e frutos em comparação com outras plantas do deserto; a figo da Índia tem uma superfície extraordinária.

Attarzadeh se perguntou e se eles projetassem um catalisador 3D à base de níquel na forma do cacto de pera espinhosa? A área de superfície maior poderia acomodar mais reações eletroquímicas – criando mais hidrogênio do que o níquel normalmente consegue.

A equipe sintetizou uma nanoarquitetura 3D de Ni5P4-Ni2P/NiS alinhados (placa/nanofolhas) usando um processo de fosfosulfidação.

A durabilidade e o design exclusivo do cacto de pera espinhosa em ambientes desérticos, absorvendo a umidade através de sua extensa superfície e a capacidade de produzir frutos nas bordas das folhas, inspiram este estudo a adotar uma arquitetura 3D semelhante e utilizá-la para projetar um catalisador de heteroestrutura eficiente para a atividade HER .

O catalisador compreende dois compartimentos das placas de Ni5P4-Ni2P alinhadas verticalmente e as nanofolhas de NiS, lembrando o papel das folhas e frutos no cacto de figo da Índia. As placas de Ni5P4-Ni2P entregam cargas para as áreas de interface, e as nanofolhas de NiS influenciam significativamente Had e transferem elétrons para a atividade de HER. De fato, a presença sinérgica de heterointerfaces e nanofolhas epitaxiais de NiS pode melhorar substancialmente a atividade catalítica em comparação com catalisadores de fosfeto de níquel.

Notavelmente, o sobrepotencial de início dos catalisadores ternários melhor modificados exibe (35 mV) metade do potencial necessário para catalisadores de fosfeto de níquel. Este promissor catalisador demonstra sobrepotenciais de 70 e 115 mV para atingir densidades de corrente de 10 e 100 mA cm–2, respectivamente. A inclinação de Tafel obtida é de 50 mV dec–1, e a capacitância de camada dupla medida por voltametria cíclica (CV) para o melhor eletrocatalisador ternário é de 13,12 mF cm–2, 3 vezes mais que o eletrocatalisador de fosfeto de níquel.

Além disso, a espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) nos potenciais catódicos revela que a menor resistência à transferência de carga está ligada ao melhor eletrocatalisador ternário, variando de 430 a 1,75 Ω cm–2. Essa melhoria pode ser atribuída à aceleração da troca de elétrons nas interfaces. Nossos achados demonstram que as nanofolhas epitaxiais de NiS expandem a área de superfície catalítica ativa e simultaneamente elevam a atividade catalítica intrínseca pela introdução de heterointerfaces, o que leva a acomodar mais Had nas interfaces.

O projeto de pesquisa foi apoiado por uma bolsa do programa de Parcerias para Pesquisa e Educação em Materiais (PREM) da National Science Foundation.

Recursos

Navid Attarzadeh, Debabrata Das, Srija N. Chintalapalle, Susheng Tan, V. Shutthanandan e CV Ramana (2023) "Design inspirado na natureza de matrizes Ni5P4-Ni2P/NiS alinhadas com nanoarquitetura para atividade eletrocatalítica aprimorada da reação de evolução do hidrogênio ( HER)" ACS Applied Materials & Interfaces 15 (18), 22036-22050 doi: 10.1021/acsami.3c00781