Nanoestruturas de irídio especialmente projetadas e depositadas sobre óxido de tântalo mesoporoso melhoram a condutividade, a atividade catalítica e a estabilidade a longo prazo.
Imagem: Pesquisadores da Coreia do Sul e dos EUA desenvolveram um novo catalisador de irídio com maior atividade na reação de evolução de oxigênio para facilitar a eletrólise da água com uma membrana de troca de prótons, de forma economicamente viável, para a produção de hidrogênio. Saiba mais
As necessidades energéticas mundiais continuam a crescer. A energia de hidrogênio transportável apresenta grande potencial na nossa busca por soluções energéticas limpas e sustentáveis. Nesse sentido, os eletrolisadores de água com membrana de troca de prótons (PEMWEs), que convertem o excesso de energia elétrica em energia de hidrogênio transportável por meio da eletrólise da água, têm atraído muito interesse. No entanto, sua aplicação em larga escala na produção de hidrogênio permanece limitada devido à baixa taxa da reação de evolução de oxigênio (OER), um componente importante da eletrólise, e à alta carga de catalisadores de óxido metálico caros, como óxido de irídio (Ir) e óxido de rutênio, nos eletrodos. Portanto, o desenvolvimento de catalisadores de OER de baixo custo e alto desempenho é necessário para a ampla aplicação dos PEMWEs.

Recentemente, uma equipe de pesquisa coreano-americana liderada pelo Professor Changho Park, do Instituto de Ciência e Tecnologia de Gwangju, na Coreia do Sul, desenvolveu um novo catalisador nanoestruturado de irídio baseado em óxido de tântalo mesoporoso (Ta₂O₅) por meio de um método aprimorado de redução com ácido fórmico para alcançar a eletrólise eficiente da água em baterias PEM. A pesquisa foi publicada online em 20 de maio de 2023 e será publicada no Volume 575 do Journal of Power Sources em 15 de agosto de 2023. O estudo teve como coautor o Dr. Chaekyong Baik, pesquisador do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia (KIST).
“A nanoestrutura de Ir rica em elétrons é dispersa uniformemente em um substrato mesoporoso estável de Ta2O5, preparado pelo método de molde suave combinado com o processo de revestimento com etilenodiamina, o que reduz efetivamente o teor de Ir em uma única bateria PEMWE para 0,3 mg cm-2”, explicou o Professor Park. É importante ressaltar que o design inovador do catalisador Ir/Ta2O5 não apenas melhora a utilização do Ir, mas também apresenta maior condutividade e uma área de superfície eletroquimicamente ativa maior.
Além disso, a espectroscopia de fotoelétrons de raios X e a espectroscopia de absorção de raios X revelam fortes interações metal-suporte entre Ir e Ta, enquanto cálculos da teoria do funcional da densidade indicam transferência de carga de Ta para Ir, o que causa forte ligação de adsorbatos como O e OH, e mantém a proporção de Ir(III) durante o processo de oxidação fora do plano. Isso, por sua vez, resulta em maior atividade do Ir/Ta₂O₅, que apresenta uma sobretensão menor de 0,385 V em comparação com 0,48 V para o IrO₂.
A equipe também demonstrou experimentalmente a alta atividade de OER do catalisador, observando uma sobretensão de 288 ± 3,9 mV a 10 mA cm⁻² e uma atividade de massa de Ir significativamente alta de 876,1 ± 125,1 A g⁻¹ a 1,55 V, comparável ao valor obtido pelo Sr. Black. De fato, o Ir/Ta₂O₅ exibe excelente atividade e estabilidade de OER, o que foi ainda confirmado por mais de 120 horas de operação de célula única do conjunto membrana-eletrodo.
O método proposto apresenta a dupla vantagem de reduzir o nível de carga Ir e aumentar a eficiência da reação de evolução de oxigênio (OER). "O aumento da eficiência da OER complementa a relação custo-benefício do processo PEMWE, melhorando assim seu desempenho geral. Essa conquista pode revolucionar a comercialização do PEMWE e acelerar sua adoção como um método convencional de produção de hidrogênio", sugere o otimista Professor Park.

De forma geral, este desenvolvimento nos aproxima da obtenção de soluções sustentáveis ​​de transporte com energia de hidrogênio e, consequentemente, da neutralidade de carbono.
Sobre o Instituto de Ciência e Tecnologia de Gwangju (GIST) O Instituto de Ciência e Tecnologia de Gwangju (GIST) é uma universidade de pesquisa localizada em Gwangju, Coreia do Sul. Fundado em 1993, o GIST tornou-se uma das instituições de ensino mais prestigiadas da Coreia do Sul. A universidade está comprometida em criar um ambiente de pesquisa robusto que promova o desenvolvimento da ciência e da tecnologia e incentive a colaboração entre projetos de pesquisa nacionais e internacionais. Guiado pelo lema “Orgulhoso Moldador da Ciência e Tecnologia do Futuro”, o GIST figura consistentemente entre as universidades mais bem classificadas da Coreia do Sul.
Sobre os Autores: O Dr. Changho Park é professor no Instituto de Ciência e Tecnologia de Gwangju (GIST) desde agosto de 2016. Antes de ingressar no GIST, atuou como Vice-Presidente da Samsung SDI e obteve o título de Mestre pela Samsung Electronics SAIT. Ele recebeu seus títulos de bacharel, mestre e doutor pelo Departamento de Química do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia, em 1990, 1992 e 1995, respectivamente. Sua pesquisa atual concentra-se no desenvolvimento de materiais catalíticos para conjuntos de eletrodos de membrana em células a combustível e eletrólise, utilizando suportes de carbono nanoestruturado e óxidos metálicos mistos. Ele publicou 126 artigos científicos e recebeu 227 patentes em sua área de especialização.
O Dr. Chaekyong Baik é pesquisador no Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia (KIST). Ele está envolvido no desenvolvimento de catalisadores PEMWE OER e MEA, com foco atual em catalisadores e dispositivos para reações de oxidação de amônia. Antes de ingressar no KIST em 2023, Chaekyong Baik obteve seu doutorado em Integração de Energia pelo Instituto de Ciência e Tecnologia de Gwangju.
A nanoestrutura mesoporosa de irídio suportada por Ta2O5 rico em elétrons pode aumentar a atividade e a estabilidade da reação de evolução de oxigênio.
Os autores declaram não possuir quaisquer interesses financeiros ou relações pessoais que possam ter influenciado o trabalho apresentado neste artigo.
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