Pesquisadores descobriram pela primeira vez que o mesmo nanocatalisador de prata (Ag) pode operar em diferentes locais de reação, dependendo se uma célula de óxido sólido está produzindo eletricidade ou gerando hidrogênio. A descoberta aponta para uma nova maneira de projetar esses dispositivos de energia de próxima geração para melhor desempenho - porque por que se contentar com um truque catalítico quando você pode ter dois?

O trabalho foi liderado pelos professores WooChul Jung e Jeong Woo Han do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade Nacional de Seul (SNU), juntamente com a equipe do professor Sang Ouk Kim no KAIST e a equipe do Dr. Beomgyun Jeong no Instituto de Ciências Básicas da Coreia (KBSI). Seus resultados esclarecem como os nanocatalisadores de prata melhoram o desempenho das células de óxido sólido e mostram que tanto a localização quanto o mecanismo das reações de oxigênio mudam dependendo de como a célula está sendo usada - um pouco como um canivete suíço que decide ser uma colher apenas quando você está comendo sopa.

As células de óxido sólido movem íons de oxigênio através de um material sólido para realizar duas funções diferentes: elas podem gerar eletricidade ou podem dividir a água para produzir hidrogênio. Devido a essa versatilidade, a tecnologia é vista como uma opção importante para expandir o uso de energia limpa e hidrogênio. As aplicações potenciais variam de sistemas distribuídos de cogeração de calor e energia em edifícios e fábricas que geram eletricidade enquanto aproveitam o calor de alta temperatura produzido durante a operação, até a produção de hidrogênio verde baseada em energia renovável. As descobertas foram publicadas na renomada revista Energy & Environmental Science e foram selecionadas como artigo de contracapa externa, destacando sua importância - porque aparentemente, estar na contracapa é o equivalente científico a uma ovação de pé.

Identificando Onde os Catalisadores Fazem Seu Trabalho

O desempenho e a durabilidade das células de óxido sólido dependem fortemente da rapidez com que as reações de oxigênio ocorrem no eletrodo de ar. Mas os eletrodos reais têm estruturas complicadas, dificultando para os pesquisadores determinar exatamente onde os nanocatalisadores participam dessas reações e como eles melhoram o desempenho. Pesquisas anteriores já haviam mostrado que nanocatalisadores metálicos podem fazer essas células funcionarem melhor. O que permanecia incerto era se a maior parte da atividade catalítica ocorre diretamente na superfície do catalisador ou no limite onde o catalisador toca o eletrodo. Os pesquisadores também não sabiam se o mesmo mecanismo catalítico era responsável tanto pela geração de eletricidade quanto pela produção de hidrogênio.

Para investigar essas questões, a equipe criou um eletrodo modelo com estrutura e composição cuidadosamente controladas, em vez de depender da arquitetura muito mais complicada dos eletrodos convencionais. Nanopartículas metálicas com tamanhos e espaçamentos uniformes foram dispostas em padrões ordenados, permitindo que os pesquisadores examinassem seus papéis catalíticos com muito mais precisão. Os cientistas primeiro compararam vários nanocatalisadores metálicos, incluindo prata, cobalto, paládio e platina. Cada um foi depositado em um eletrodo de óxido de perovskita de filme fino e testado quanto à sua capacidade de acelerar as reações de oxigênio. A prata produziu a melhoria catalítica mais forte entre os metais testados - tome isso, platina.

Os pesquisadores então mudaram o tamanho e a disposição das nanopartículas de prata para determinar onde as reações mais importantes estavam ocorrendo. Durante a reação de redução de oxigênio (geração de eletricidade), as taxas de reação aumentaram à medida que o comprimento do limite entre as nanopartículas de prata e o eletrodo crescia. Isso mostrou que a interface entre a prata e o eletrodo é o principal local de reação quando a célula está gerando eletricidade. A situação mudou durante a reação de evolução de oxigênio (produção de hidrogênio). Nesse modo, as taxas de reação aumentaram com a área de superfície das nanopartículas de prata. Esse resultado mostrou que a superfície das próprias partículas de prata se torna o principal local de reação durante a produção de hidrogênio.