O reservata³rio limitado de combusta­veis fa³sseis e as ameaa§as cada vez maiores dasmudanças climáticas encorajaram os pesquisadores a desenvolver tecnologias alternativas para produzir combusta­veis ecola³gicos. O hidrogaªnio verde gerado a partir da eletra³lise da águausando eletricidade renova¡vel éconsiderado uma fonte de energia renova¡vel de próxima geração para o futuro. Mas, na realidade, a esmagadora maioria do hidrogaªnio combusta­vel éobtida a partir do refino de combusta­veis fa³sseis devido ao alto custo da eletra³lise.

Atualmente, a eficiência da eletra³lise da águaélimitada e frequentemente requer alta voltagem da canãlula devido a  falta de eletrocatalisadores eficientes para as reações de evolução do hidrogaªnio . Metais nobres, como platina (Pt), são usados ​​como catalisadores para melhorar a geração de hidrogaªnio em meio a¡cido / alcalino. No entanto, esses catalisadores de metal nobre são muito caros e apresentam baixa estabilidade em operação de longo prazo.

Catalisadores de a¡tomo aºnico tem vantagens sobre seus homa³logos baseados em nanomateriais, alcana§ando até100 por cento de utilização do a¡tomo, enquanto apenas os a¡tomos dasuperfÍcie das nanoparta­culas estãodisponí­veis para a reação. No entanto, devido a  simplicidade do centro do a¡tomo de metal aºnico, realizar modificações adicionais dos catalisadores para realizar reações complexas de várias etapas ébastante difa­cil.

A maneira mais simples de modificar os a¡tomos individuais étransforma¡-los em da­meros de um a¡tomo, que combinam dois a¡tomos diferentes. O ajuste do sa­tio ativo de catalisadores de a¡tomo aºnico com da­meros pode melhorar a cinanãtica da reação, graças ao efeito sinanãrgico entre dois a¡tomos diferentes. No entanto, embora a sa­ntese e identificação da estrutura de da­mero de a¡tomo aºnico sejam conhecidas conceitualmente, sua realização prática tem sido muito difa­cil.

Este problema foi abordado por uma equipe de pesquisa liderada pelo Diretor Associado LEE Hyoyoung do Center for Integrated Nanostructure Physics do Institute for Basic Science (IBS) localizado na Sungkyunkwan University. A equipe de pesquisa do IBS desenvolveu com sucesso uma estrutura de da­mero de Ni-Co atomicamente dispersa estabilizada em um suporte de carbono dopado com nitrogaªnio, que foi denominado NiCo-SAD-NC.

"Sintetizamos a estrutura de da­mero de a¡tomo aºnico de Ni-Co em suporte de carbono dopado com nitrogaªnio (N) via captura in-situ de a­ons Ni / Co na esfera de polidopamina, seguido por pira³lise com coordenação N precisamente controlada. Empregamos o estado de microscopia eletra´nica de transmissão de última geração e espectroscopia de absorção de raios-X para identificar com sucesso esses locais NiCo-SAD com precisão atômica ", disse Ashwani Kumar, o primeiro autor do estudo.

Os pesquisadores descobriram que o recozimento por duas horas a 800 ° C em uma atmosfera de arga´nio era a melhor condição para a obtenção da estrutura do da­mero. Outros da­meros de a¡tomo aºnico, como CoMn e CoFe também podem ser sintetizados usando o mesmo manãtodo, o que prova a generalidade de sua estratanãgia.

A equipe de pesquisa avaliou a eficiência catala­tica deste novo sistema em termos do superpotencial necessa¡rio para conduzir a reação de evolução do hidrogaªnio. O eletrocatalisador NiCo-SAD-NC teve umnívelcompara¡vel de sobretensão como catalisadores comerciais a  base de Pt em meio a¡cido e alcalino. NiCo-SAD-NC também exibiu atividade oito vezes maior do que catalisadores de a¡tomo aºnico de Ni / Co e nanoparta­culas de NiCo heterogaªneas em meio alcalino. Ao mesmo tempo, alcana§ou atividade 17 e 11 vezes maior do que catalisadores de a¡tomo aºnico de Co e Ni, respectivamente, e 13 vezes maior do que nanoparta­culas de Ni / Co convencionais em meio a¡cido.

Além disso, os pesquisadores demonstraram a estabilidade a longo prazo do novo catalisador , que foi capaz de conduzir a reação por 50 horas sem qualquer alteração na estrutura. O NiCo-SAD exibiu dissociação de águasuperior e adsorção de pra³tons ideal em comparação com outros da­meros de a¡tomo aºnico e sa­tios de a¡tomo aºnico de Ni / Co, aumentando a atividade do catalisador universal de pH com base na simulação da teoria funcional da densidade.

"Ficamos muito entusiasmados em descobrir que a nova estrutura do NiCo-SAD dissocia as moléculas de águacom uma barreira de energia muito menor e acelera a reação de evolução do hidrogaªnio em meios alcalinos e a¡cidos com desempenhos compara¡veis ​​aos do Pt, que abordou as deficiências do Ni individual e catalisadores de a¡tomo aºnico Co. A sa­ntese dessa estrutura de da­mero de a¡tomo aºnico foi um desafio de longa data no campo dos catalisadores de a¡tomo aºnico ", observa o diretor associado Lee, o autor correspondente do estudo.

Ele explica ainda: "Este estudo nos leva um passo mais perto de uma economia de hidrogaªnio livre de carbono e verde. Este eletrocatalisador de geração de hidrogaªnio altamente eficiente e barato nos ajudara¡ a superar os desafios de longo prazo da produção de hidrogaªnio verde com custo competitivo: para produzir hidrogaªnio puro para aplicações comerciais a um prea§o baixo e de maneira ecologicamente correta. "

O estudo foi publicado na Nature Communications .