Uma equipe internacional de pesquisadores da Universidade Nacional de Seul, o Instituto de Ciência e Tecnologia da Coréia (KIST) e a Universidade Kookmin desenvolveu um catalisador eletroquímico avançado que poderia contribuir significativamente para a produção sustentável de hidrogênio.
O estudo, publicado em Energia e ciência ambientalfoi liderado pelo professor Jin Younger Kim, do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, em colaboração com o professor Chan Woo Lee, da Universidade Kookmin e o Dr. Sung Jong Yoo, da Kist.
O recém-desenvolvido catalisador, baseado em um nanocluster de rutênio (RU) com uma estrutura de casca de núcleo, oferece alto desempenho e estabilidade enquanto usa quantidades mínimas de metais preciosos. Ele demonstrou excelente eficiência quando testado com equipamentos de eletrólise de água em larga escala, sugerindo seu potencial para aplicações comerciais.
O hidrogênio, como uma fonte de energia limpa, sem emissões de dióxido de carbono quando queimado, é visto como uma alternativa promissora aos combustíveis fósseis. A eletrólise da água, que divide a água em hidrogênio e oxigênio usando eletricidade, é um dos métodos mais eficazes para produzir hidrogênio. Entre as várias tecnologias de eletrólise, a eletrólise da água de troca ânion (AEMWE) emergiu como uma solução de próxima geração devido à sua capacidade de produzir hidrogênio de alta pureza. No entanto, a Aemwe requer catalisadores que combinam alta eficiência com estabilidade a longo prazo para comercialização.
Atualmente, a platina (PT) é o catalisador mais amplamente utilizado para a produção de hidrogênio, mas é caro e propenso à degradação. Embora os substitutos de steel não preciosos tenham sido explorados, esses materiais geralmente têm baixa estabilidade e eficiência.
Para superar esses desafios, a equipe de pesquisa desenvolveu um catalisador de nanocluster de casca principal usando Rutênio (RU), que é mais do que duas vezes mais acessível que a platina. Ao reduzir o tamanho do catalisador para menos de 2 nm e usar apenas um terço do steel precioso normalmente necessário para os eletrodos à base de platina, a equipe alcançou uma melhoria significativa no desempenho. O novo catalisador superou os catalisadores de platina por um fator de 4,4 em termos de eficiência da reação da evolução do hidrogênio, estabelecendo uma nova referência para a produção de hidrogênio.
A estabilidade excepcional do catalisador, mesmo em densidades de alta corrente, é garantida por sua estrutura exclusiva de eletrodos de espuma, que otimiza o fornecimento de materiais de reação. Nos testes AEMWE em escala industrial, o novo catalisador usou significativamente menos potência do que os catalisadores comerciais de platina, indicando seu potencial para promover a tecnologia de eletrólise de água da próxima geração.
O processo de desenvolvimento envolveu várias inovações importantes. Os pesquisadores aplicaram o peróxido de hidrogênio pela primeira vez a um substrato de espuma de titânio para criar uma fina camada de óxido de titânio. Doping com molibdênio (MO) seguiu -se, e o substrato foi então revestido com óxido de rutênio nanopartículasque tinham apenas 1-2 nm de tamanho. Uma estrutura de casca de núcleo foi formada através de tratamento térmico preciso de baixa temperatura, e as propriedades do materials foram ainda mais aprimoradas por um processo de redução eletroquímica durante a reação de evolução do hidrogênio.
Olhando para o futuro, espera-se que o catalisador de nanocluster de casca principal reduza a quantidade de steel precioso necessário para a produção de hidrogênio, aumentando a eficiência, o que pode reduzir os custos de produção. Devido ao seu alto desempenho e custo-efetividade, esse catalisador é um forte candidato ao uso em células de combustível de hidrogênio para automóveis, usinas de hidrogênio e outras aplicações industriais.
Além de suas aplicações práticas, essa descoberta representa um avanço tecnológico que pode acelerar a transição de sistemas de energia baseados em combustível fóssil para economias movidas a hidrogênio.
O catalisador do núcleo-casca, apesar de ser menor que 2 nm, demonstra desempenho e estabilidade notáveis. Esse avanço contribuirá significativamente para o desenvolvimento da tecnologia de fabricação de dispositivos Nano Core-Shell e produção de hidrogênio, aproximando-nos de um futuro neutro em carbono.
Jin Younger Kim, Professor, Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade Nacional de Seul
O primeiro autor do estudo, Dr. Hyun Woo Lim, é bolsista de pós -doutorado no laboratório do professor Kim na Seul Nationwide College. Ele foi selecionado para o programa de bolsas de Sejong do governo. Seu foco atual é avançar e comercializar a tecnologia Core-Shell Catalyst.
Referência do diário:
Lim, hw, et al. (2025) Um catalisador de nanocluster de cérebro de rutênio-titania para eficiente e durável evolução de hidrogênio alcalino. Energia e ciência ambiental. doi.org/10.1039/d4ee04867a.