Novos insights sobre a reação de evolução do hidrogênio usando Ni

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8359 (2023) Citar este artigo

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Um dos grandes desafios atuais é encontrar materiais não preciosos caracterizados por comportamento eletrocatalítico eficiente para substituir os caros materiais à base de platina para fins de reações de evolução de hidrogênio (HERs). Neste estudo, ZIF-67 e ZIF-67 foram usados ​​como precursores para fabricar carbono enriquecido com N-dopado metálico com sucesso através de um processo simples de pirólise para aplicação da reação de evolução do hidrogênio. Além disso, o níquel foi adicionado a essas estruturas durante o processo de síntese. Enquanto sob tratamento de alta temperatura, ZIF-67 dopado com níquel foi transformado em carbono enriquecido com N dopado com NiCo metálico (NiCo/NC), sob tratamentos de alta temperatura, ZIF-8 dopado com Ni transformou-se em carbono enriquecido com N dopado com NiZn metálico (NiZn/ NC). Combinando precursores metálicos, foram sintetizadas as seguintes cinco estruturas: NiCo/NC, Co/NC, NiZn/NC, NiCoZn/NC, bem como CoZn/NC. É digno de nota que o Co/NC produzido mostra atividade de reação de evolução de hidrogênio ideal junto com sobrepotencial superior de 97 mV e inclinação Tafel mínima de 60 mV/dec a 10 mA cm. Além disso, o excelente comportamento da reação de evolução do hidrogênio pode ser atribuído aos numerosos locais ativos, à condutividade elétrica superior do carbono e à estrutura firme. Como resultado, o presente artigo sugere uma nova estratégia para produzir materiais não preciosos caracterizados por excelente eficiência HER para futuros estudiosos.

As últimas décadas testemunharam o uso generalizado de combustíveis fósseis convencionais, por exemplo, petróleo e querosene, em vários campos, levando a contribuições significativas para as infraestruturas de nossas sociedades1,2,3. No entanto, seu consumo excessivo resultou em impactos adversos extremos, incluindo o aquecimento global e a poluição ambiental. Além disso, os combustíveis fósseis convencionais são considerados fontes de energia não renováveis3,4.

Assim, é necessário encontrar recursos de energia sustentáveis, renováveis ​​e ecologicamente corretos. O hidrogênio é considerado uma fonte limpa de energia1,5. A abordagem mais eficiente empregada para criar hidrogênio por meio de reações de evolução de hidrogênio (HERs) é dividir as moléculas de água6,7,8. Como resultado, o desenvolvimento de eletrocatalisadores eficazes para o propósito de reações de evolução de hidrogênio é um passo crítico e necessário. Até onde sabemos, os eletrocatalisadores mais eficazes para a finalidade HER são os materiais à base de Pt9,10.

No entanto, devido à baixa abundância de terra e ao alto custo desses materiais, sua aplicação prática está sujeita a limitações. Assim, é necessário desenvolver eletrocatalisadores abundantes em terra e não preciosos caracterizados por atividade de HER altamente eficiente. Durante os últimos anos, os materiais à base de metais de transição receberam muita atenção, o que é atribuível a seus custos mais baixos, excelente atividade eletrocatalítica para fins de HER e abundância de terra11,12,13,14. Por exemplo, adotando reações hidrotérmicas e técnicas de selenilação, Zhou et al. preparou nanocristais de CoSe incorporados em nanofios de carbono (CoSe22@CNWs) e os utilizou como catalisador para o propósito de HER15. Esses estudiosos relataram a durabilidade excepcional e a excelente atividade HER dos CoSe@CNWs. Por meio da carbonização direta de óxido de grafeno (GO) e Ni-MOF-74, Xie e colegas produziram Ni/NiO@C/GR-tw com sucesso, que foi utilizado como catalisador para a produção de hidrogênio16. Ni/NiO@C/GR-900-8 é caracterizado por excelente desempenho eletrocatalítico junto com uma leve inclinação de Tafel de 44 mV/dec e leve sobrepotencial de 108 mV a 10 mA/cm217. Wang et ai. fabricou catalisadores Co–N–C baseados em PANI em temperaturas elevadas e também estudou as contribuições da composição e temperatura para a eficiência da reação de evolução do hidrogênio. Eles descobriram que o CoCN poderia servir como centro ativo no curso do HER. Um grande número de estudiosos contribuiu para a otimização e projeto do comportamento eletrocatalítico de substâncias à base de metais de transição e tornou plausível seu uso como potenciais substitutos de materiais à base de Pt no processo HER18,19.