Adição bimetálica Co/Mo ao dióxido de manganês eletrolítico para geração de oxigênio em meio ácido

Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 15208 (2015) Citar este artigo

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Um eletrocatalisador eficiente compreendendo materiais baratos e abundantes em terra para a reação de evolução do oxigênio (OER) é crucial para o desenvolvimento da eletrólise da água. Neste trabalho, a adição in situ de íons cobalto/molibdênio ao dióxido de manganês eletrolítico demonstrou ser benéfica para o OER em solução ácida, pois seu sobrepotencial teve melhor desempenho (305 mV) do que o DSA® comercial (341 mV) a 100 mA cm-2. O OER foi investigado à temperatura ambiente em solução de H2SO4 2 M nos eletrodos EMD (MnMoCoO) modificados. A eficiência energética dos eletrodos de MnMoCoO melhorou significativamente com a quantidade de Co na solução de revestimento. Para os catalisadores eletrodepositados, foram realizadas medições físico-químicas e eletroquímicas, incluindo sobrepotenciais estáticos. O melhor desempenho do EMD modificado foi atribuído a uma melhor resistência à transferência de carga (Rct; 0,290 Ω cm2), fator de rugosidade médio (rf; 429) e diminuição do teor de água nos catalisadores eletrodepositados. Os parâmetros cinéticos obtidos em catalisadores MnMoCoO foram comparados e discutidos de acordo com a concentração de cobalto.

O hidrogênio é uma fonte de energia abundante, renovável e limpa e tem sido considerada como uma solução para os problemas decorrentes da atual economia insustentável de combustíveis fósseis. Recentemente, a economia do hidrogênio vem ganhando a atenção de órgãos governamentais e grandes empresas petrolíferas1,2,3,4,5,6,7,8. O hidrogênio pode ser gerado através de vários métodos, incluindo termoquímicos, eletroquímicos e bioquímicos9. De todos esses métodos disponíveis, a eletrólise da água (via eletroquímica) é adequada para a produção de hidrogênio em larga escala. A eletrólise da água é uma maneira simples de produzir hidrogênio com alta pureza a um preço econômico quando uma fonte de energia para conduzir a eletrólise está disponível, como energia solar ou nuclear1.

A eletrólise da água consiste em duas reações eletroquímicas, denominadas como reações de evolução de hidrogênio e oxigênio (HER e OER). O potencial de equilíbrio da eletrólise da água é de 1,23 V em condições padrão, mas conduzir a eletrólise a uma taxa prática requer potenciais mais altos e isso é medido convencionalmente como sobrepotencial9. A diferença entre o potencial de equilíbrio e o potencial em densidades de corrente práticas (por exemplo, 100 mA cm−2) é chamada de polarização ou sobrepotencial (η). Metais como Pt e Ru fornecem uma excelente superfície catalítica na redução do sobrepotencial (η) para o HER10. Os catalisadores mais notáveis ​​pertencem aos metais do grupo da platina e são usados ​​para o HER, além disso, óxidos do grupo da platina11,12,13 são usados ​​para o OER. No entanto, os metais do grupo da platina são muito limitados por sua escassez e alto custo. Por exemplo, tecnologias como células de combustível não podem ser ampliadas porque exigem catalisadores caros. O eletrocatalisador mais eficiente para o OER são eletrodos de óxido metálico12,13 (RuO2 sendo o melhor13, IrO2 também apresenta bons sobrepotenciais11). Os óxidos apresentam vantagens sobre as contrapartes metálicas porque são mais estáveis ​​e não podem ser mais oxidados. Portanto, o desejo é desenvolver um catalisador OER livre de metais nobres barato.

Com isso como objetivo, em nosso trabalho atual, o uso de dióxido de manganês eletrolítico (EMD, γ tipo MnO2) com adição in-situ de íons cobalto/molibdênio durante a eletrodeposição (denominado EMD modificado) foi investigado como um potencial catalisador para a REA. O EMD modificado reduz significativamente o sobrepotencial do material EMD original. Outro objetivo deste trabalho é investigar as razões da diminuição do sobrepotencial encontrado com esses eletrodos ao variar o teor de Co na solução do banho. Até onde sabemos, materiais EMD modificados (MEMD) com Co como aditivo não foram relatados anteriormente. Os dióxidos de manganês eletrolíticos são uma área bem pesquisada em armazenamento de energia14, bem como em catalisadores para suprimir a reação de evolução de cloro15,16,17,18,19 na eletrólise da água do mar. Esses estudos suportam o conceito desse material para aplicações eletroquímicas.