Hidrogênio e oxigênio são produzidos simultaneamente com um único átomo
[Imagem: Quynh Phuong Ngo et al. – 10.1002/aenm.202506645]
Evolução da eletrólise
Quando o assunto é substituir combustíveis poluentes por combustíveis limpos, tudo parece muito simples à primeira vista: Basta produzir hidrogênio verde, usando a eletricidade de fontes renováveis, como eólica e solar, para quebrar as moléculas de água por meio de eletrólise.
O problema é que quebrar a molécula de H2O em seus dois componentes elementares através da eletricidade é um processo que ocorre em dois atos simultâneos, que acontecem em eletrodos opostos.
A reação de evolução do hidrogênio, responsável pela produção efetiva do tão desejado gás, ocorre no cátodo, o polo negativo, onde os prótons (H+) recebem elétrons da fonte de energia e são reduzidos a gás hidrogênio (H2). São duas etapas, com o hidrogênio se ligando à superfície do catalisador e, em seguida, os átomos se combinando para formar a molécula de gás.
A reação de evolução do oxigênio ocorre no ânodo, o polo positivo, e representa o “calcanhar de Aquiles” do processo. Os íons hidroxilas (radicais OH) são oxidados, liberando elétrons, prótons e gás oxigênio (O2), mas essa reação envolve quatro elétrons e ligações oxigênio-oxigênio complexas, o que a torna muito lenta.
O resultado é que os sistemas de eletrólise atuais exigem catalisadores e estruturas de eletrodos diferentes para cada uma das reações, o que implica no uso de grandes quantidades de metais preciosos e caros – catalisadores de platina, por exemplo. Além disso, o aglutinante utilizado para fixar o catalisador ao eletrodo é outra fonte de problemas, apresentando queda na condutividade elétrica e desprendimento do catalisador durante a operações de longo prazo.
Assim, é fácil ver o impacto da criação de uma rota em que tudo isto pode ser substituído por uma reação envolvendo um único átomo.
[Imagem: Quynh Phuong Ngo et al. – 10.1002/aenm.202506645]
Catalisador tudo-em-um
Quynh Ngo e colegas do Instituto de Ciência e Tecnologia da Coreia desenvolveram uma técnica para fazer a eletrólise da água em uma única etapa, produzindo hidrogênio e oxigênio simultaneamente a partir de um único átomo.
A técnica se baseia na integração de um catalisador “tudo-em-um” de átomo único – um catalisador controlado com precisão em nível atômico – com uma tecnologia de eletrodo sem aglutinante. O resultado é uma tecnologia capaz de realizar, de forma estável, as reações de evolução do hidrogênio e de evolução do oxigênio simultaneamente em um único eletrodo.
Essa estratégia substituiu o uso convencional de irídio metálico em massa, maximizando o número de sítios ativos para reações de quebra da água com uma quantidade mínima de irídio – pense nisso como usar uma distribuição uniforme de grãos finos de areia, em comparação com usar uma única “pedra” grande do metal nobre.
[Imagem: Quynh Phuong Ngo et al. – 10.1002/aenm.202506645]
Catalisador de átomo único
Olhando em detalhe para a reação de quebra da molécula de água, o átomo único de irídio funciona como um sítio ativo direto para a reação de evolução do hidrogênio, por meio de sua forte interação com o suporte, enquanto simultaneamente aprimora o desempenho catalítico do sítio ativo à base de níquel, onde ocorre a reação de evolução do oxigênio.
Assim, um catalisador de átomo único alcança características catalíticas bifuncionais, apresentando reatividade adequada para ambas as reações. Além disso, a equipe aplicou um método de crescimento direto do catalisador na superfície do eletrodo, obtendo uma estrutura que não requer um aglutinante separado. Isso melhorou significativamente a condutividade elétrica e garantiu excelente durabilidade mesmo durante operação de longo prazo.
“Este trabalho é extremamente significativo, resolvendo as duas reações essenciais para a produção de hidrogênio usando um único catalisador, reduzindo o consumo de metais preciosos. Essa tecnologia acelerará a comercialização de dispositivos de eletrólise da água e fornecerá um suporte substancial para a expansão da energia do hidrogênio,” disse o professor Na Jongbeom, coordenador da equipe.