Silicida de Níquel Nanoestruturado Mostra Promessa para o Hidrogênio Verde

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A energia elétrica do vento ou do sol pode ser armazenada como energia química no hidrogênio, um excelente combustível e portador de energia. O pré-requisito para isso, no entanto, é a eletrólise eficiente da água com catalisadores baratos. Para a reação de evolução do oxigênio no ânodo, o silicieto de níquel nanoestruturado agora promete um aumento significativo na eficiência. Isso foi demonstrado por um grupo da HZB, Universidade Técnica de Berlim e da Freie Universität Berlin como parte da plataforma de pesquisa CatLab com medições entre outras no BESSY II.

A eletrólise pode ser um conceito familiar das aulas de química na escola: dois eletrodos são imersos em água e colocados sob tensão. Essa voltagem faz com que as moléculas de água se decomponham em seus componentes e as bolhas de gás se elevem nos eletrodos: o gás oxigênio se forma no ânodo, enquanto as bolhas de hidrogênio se formam no cátodo. A eletrólise pode produzir hidrogênio de forma neutra em CO2 - desde que a eletricidade necessária seja gerada por formas de energia livre de fósseis, como sol ou vento.

O único problema é que essas reações são pouco eficientes e extremamente lentas. Para acelerar as reações, são utilizados catalisadores à base de metais preciosos e raros, como platina, rutênio ou irídio. Para uso em larga escala, no entanto, tais catalisadores devem consistir em elementos amplamente disponíveis e muito baratos.

Para acelerar a reação de evolução do oxigênio no ânodo, os materiais à base de níquel são considerados bons candidatos. O níquel é resistente à corrosão, dificilmente tóxico e também barato. Até agora, no entanto, os processos de alta temperatura com uso intensivo de energia têm sido usados ​​principalmente para produzir materiais catalisadores à base de níquel.

Uma equipe liderada pelo Dr. Prashanth Menezes (HZB/TU Berlin) encontrou agora uma maneira "química leve" de produzir um catalisador eficiente baseado em nanocristais intermetálicos de níquel-silício.

"Combinamos o elemento níquel com o silício, segundo elemento mais abundante na crosta terrestre, e conseguimos a nanoestruturação por meio de uma reação química. O material resultante tem excelentes propriedades catalíticas", diz Menezes. O Ni2Si cristalino serviu como um pré-catalisador para a reação alcalina de evolução do oxigênio no ânodo e sofre transformação de superfície para formar hidróxido de níquel (oxi) como um catalisador ativo sob condições operacionais. Notavelmente, a eletrólise da água foi ainda emparelhada com a reação de oxidação orgânica de valor agregado, na qual a eletrossíntese de compostos nitrílicos industrialmente valiosos foi produzida a partir de aminas primárias com conversão seletiva e total sob condições suaves. Esses métodos eletrossintéticos podem aumentar a geração de hidrogênio no cátodo e simultaneamente fornecer acesso a produtos industriais valiosos no ânodo.

Comparado aos catalisadores modernos baseados em níquel, cobalto, ferro, rutênio e irídio, o Ni2Si nanoporoso é significativamente mais ativo e permanece estável por um tempo de reação mais longo em condições de nível industrial. Para entender o comportamento do Ni2Si com mais detalhes, a equipe combinou diferentes métodos de medição, incluindo análises elementares, microscopia eletrônica e medições espectroscópicas modernas no BESSY II. "No futuro, até mesmo eletrolisadores industriais de água alcalina poderão ser equipados com um revestimento desse silicieto de níquel nanoporoso", diz Menezes.

Referência: Mondal I, Hausmann JN, Vijaykumar G, et al. Siliceto de Níquel Intermetálico Nanoestruturado (Pré)Catalisador para Reação de Evolução Anódica de Oxigênio e Desidrogenação Seletiva de Aminas Primárias. Adv Energy Mat. 2022;12(25):2200269. doi:10.1002/aenm.202200269

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