Os pesquisadores desenvolveram um catalisador derivado de resíduos vegetais renováveis que apresenta grande potencial para acelerar a produção de hidrogênio puro. O material é feito incorporando nanopartículas de óxido de níquel e óxido de ferro em fibras de carbono feitas de lignina, criando uma estrutura que aumenta a eficiência e durabilidade durante a reação de evolução do oxigênio, uma parte importante da eletrólise da água.
Um estudo publicado em Biochar Xrelata que o catalisador atinge uma baixa sobretensão de 250 mV a 10 mA cm² e permanece altamente estável por mais de 50 h quando operado em densidades de corrente elevadas. Esses níveis de desempenho indicam uma alternativa viável e de baixo custo aos catalisadores de metais preciosos comumente usados na separação de água em larga escala.
“A evolução do oxigênio é uma das maiores barreiras para a produção eficiente de hidrogênio”, disse o autor correspondente Yanlin Qin, da Universidade de Tecnologia de Guangdong. “Nosso trabalho mostra que um catalisador feito de lignina, um subproduto de baixo valor da indústria de papel e biorrefinamento, pode fornecer alta atividade e resistência excepcional. Ele fornece uma rota mais ecológica e econômica para a produção de hidrogênio em larga escala.”
Conversão de lignina em uma estrutura funcional de carbono
A lignina é um dos polímeros naturais mais comuns, mas muitas vezes é queimada para obter um rendimento energético mínimo. Neste trabalho, a equipe transformou lignina em fibras de carbono por meio de eletrofiação e tratamento térmico. Essas fibras servem como estrutura condutora e de suporte para as partículas de óxido metálico. O catalisador resultante, conhecido como NiO/Fe3O4@LCFs, contém fibras de carbono dopadas com nitrogênio que fornecem transporte rápido de carga, alta área superficial e alta estabilidade estrutural.
A microscopia mostrou que os óxidos de níquel e ferro formam uma heterojunção em nanoescala na estrutura da fibra de carbono. Esta interface desempenha um papel central na reação de evolução do oxigênio, ajudando as moléculas intermediárias a se ligarem e se separarem em uma taxa ideal. A combinação desses óxidos metálicos com uma rede condutora de carbono melhora a mobilidade dos elétrons e evita a aglomeração de partículas, um problema comum com catalisadores de metais básicos convencionais.
Desempenho verificado através de testes avançados
Medições eletroquímicas mostraram que o material tem desempenho melhor do que catalisadores contendo apenas um metal, especialmente sob condições de alta corrente exigidas para sistemas reais de eletrólise. O catalisador também exibe uma inclinação Tafel de 138 mV por década, indicando uma cinética de reação mais rápida. Dados adicionais de espectroscopia de espalhamento combinada in situ e cálculos da teoria do funcional de densidade apoiam o mecanismo proposto, confirmando que a interface projetada controla efetivamente a evolução do oxigênio.
Projeto escalável usando biomassa amplamente disponível
“Nosso objetivo era desenvolver um catalisador que não apenas tivesse um bom desempenho, mas também fosse escalonável e baseado em materiais sustentáveis”, disse o coautor Xueqing Qiu. “Uma vez que a lignina é produzida em grandes quantidades em todo o mundo, esta abordagem oferece um caminho realista para tecnologias de produção industrial de hidrogénio mais verdes.”
As descobertas destacam o valor crescente dos materiais derivados de biomassa em aplicações de conversão de energia. A combinação de fontes renováveis de carbono com interfaces de óxido metálico cuidadosamente concebidas está em linha com os esforços globais para criar tecnologias energéticas de baixo custo e amigas do ambiente.
Os pesquisadores observam que este método pode ser adaptado a diferentes combinações de metais e reações catalíticas, abrindo novas oportunidades para o desenvolvimento de eletrocatalisadores de próxima geração baseados em recursos naturais abundantes.
