A água do mar, que compreende mais de 95% da água da Terra, pode se tornar um recurso fundamental na produção sustentável de combustível de hidrogênio limpo com o uso de catalisadores de divisão de água desenvolvidos por uma equipe liderada pela KAUST.

A divisão da água pode oferecer uma maneira atraente de neutralidade de carbono, especialmente quando combinada com fontes de energia renováveis , como energia solar e eólica. A divisão da água envolve a quebra da água em uma célula eletroquímica para produzir hidrogênio no cátodo enquanto gera oxigênio no ânodo sob tensão aplicada. No entanto, os catalisadores de evolução de hidrogênio e oxigênio que funcionam bem em água doce se tornam menos eficazes na água do mar devido à abundância de íons que podem promover reações indesejadas e catalisadores venenosos.

Os íons cloreto altamente corrosivos presentes na água do mar sofrem reações complexas que competem com a evolução do oxigênio e geram compostos nocivos, como o hipoclorito. Como a produção de hidrogênio depende de reações estáveis ??e eficientes em ambos os eletrodos, esses íons são um grande desafio para a separação da água do mar.

O químico Huabin Zhang explica que a formação de hipoclorito pode ocorrer porque exige uma tensão operacional menor para atender às necessidades industriais do que a reação de evolução do oxigênio.

Uma maneira de resolver esse problema é projetar catalisadores anódicos seletivos com requisitos de tensão mais baixos. Um catalisador de ânodo monocamada de níquel-irídio mostrou melhor desempenho e estabilidade na água do mar graças aos efeitos sinérgicos entre seus componentes metálicos .

A equipe de Zhang desenvolveu uma abordagem que fornece eletrocatalisadores de evolução de hidrogênio estáveis ??e de alta eficiência para separação de água do mar. Os pesquisadores criaram pequenos reatores cúbicos, nos quais o catalisador foi envolto em um invólucro protetor de sulfeto de molibdênio. O núcleo do catalisador consistia em um composto ativo redox à base de molibdênio suportado por carbono e apresentava uma estrutura nanoporosa ordenada semelhante a zeólita.

Usando uma abordagem baseada em estrutura orgânica de metal, os pesquisadores combinaram precursores de complexos metálicos com o ligante imidazol na presença de surfactante para gerar cubos de zinco-molibdênio semelhantes a zeólitas. Eles misturaram as estruturas resultantes com tioacetamida em etanol sob refluxo para formar uma fase cúbica de óxido de molibdênio confinada em uma fina camada de sulfeto de zinco.

Em seguida, eles converteram quimicamente a fase cúbica no composto ativo redox encapsulado em sulfeto de molibdênio desejado em alta temperatura antes de gravar seletivamente a camada externa de sulfeto de zinco para produzir os nanorreatores.

Os nanorreatores exibiram alta atividade eletrocatalítica e estabilidade tanto em água doce quanto em água do mar. "A notável atividade e estabilidade são atribuídas à sua estrutura única", diz Zhang.

O núcleo exibiu vários sítios ativos que impulsionaram a produção de hidrogênio e a casca apresentou vários defeitos em suas camadas, especialmente buracos do tamanho de subnanômetros que permitiram que as moléculas de água permeassem e acessassem os sítios ativos internos.

Atuando como uma cota de malha, a concha também bloqueou e impediu que os sais se depositassem nos locais ativos.

A arquitetura hierárquica do nanorreator isola a eletrólise das reações colaterais. “Semelhante a uma casa inteligente, a reação principal ocorre nos quartos, enquanto as reações colaterais acontecem no quintal”, diz Zhang.

Suas descobertas são publicadas na Chem Catalysis .

Os pesquisadores estão agora projetando catalisadores avançados com configuração específica para alcançar uma conversão de energia mais sustentável durante a separação da água do mar. Eles também estão investigando a evolução estrutural e o comportamento dos centros reativos durante o processo catalítico para obter um conhecimento aprofundado da técnica de separação da água do mar para futuro avanço e comercialização em massa.