Síntese de Nanopartículas metálicas suportadas em Nanotubo de Carbono com Doped Co e N Átomos e suas Aplicações Catalíticas na Produção de Hidrogênio

O desenvolvimento de catalisadores de baixo custo e altamente eficientes para a produção de energia renovável continua sendo um dos problemas mais críticos e desafiadores para aliviar a crise energética. No entanto, está longe de ser aplicações práticas devido a várias preocupações, como métodos de produção em larga escala com desempenho confiável, alto custo de produção e estabilidade de longa data para prolongar a vida útil dos catalisadores. Setores industriais, como transporte e logística, exigem produção de energia para veículos e equipamentos com longas horas de operação, alto fornecimento de energia e tempo mínimo de reabastecimento para alcançar operações eficientes ^1,2,3. Portanto, estratégias eficazes têm sido amplamente exploradas para enfrentar os desafios técnicos acima. Por exemplo, regulando a estrutura eletrônica dos locais ativos metálicos e suportes catalisadores, projetando a arquitetura específica dos nano-catalisadores metálicos, composições metálicas de ajuste fino, modificação funcional do grupo de suporte ancorado e variando a morfologia para aumentar o número de locais ativos intrínsecos. Nas últimas décadas, as nanopartículas (NPs) dominaram os campos de várias catálise heterogêneas, e as atividades catalíticas podem ser efetivamente ajustadas variando o tamanho dos NPs. Somente até os últimos anos, catalisadores de átomos únicos (SACs) altamente dispersos surgiram para ter excelentes propriedades em direção a muitas reações catalíticas devido à sua estrutura eletrônica única e ambiente de coordenação. Particularmente, os SACs já demonstraram desempenhos superiores na conversão de energia, como reações eletroquímicas (HER, ORR, OER) e sistemas de energia eletroquímica (por exemplo, supercapacitores, baterias recarregáveis)^4,5,6. Embora ambos os NPs e SACs tenham suas respectivas vantagens e limitações em aplicações catalíticas, existem reações que requerem nps e SACs para aumentar a reatividade catalítica. Por exemplo, ru NPs suportados na superestrutura de nanotubo de carbono ni-e n-co-dopado poderia facilitar a oxidação de ar catalítico elevado de ácido acético⁷. Este efeito sinérgico também foi demonstrado por_{catalisadores Pd 1+NPs}/TiO₂ para hidrogenação de cetona altamente seletiva e aldeídos a temperaturas ambientes⁸. A fim de acelerar o campo de NPs sinérgicos e SACs catalisis e explorar mais sobre suas aplicações catalíticas, uma maneira fácil de síntese catalisador é altamente desejável, e a introdução de altas cargas do local ativo atomicamente disperso continua sendo um desafio devido à alta tendência da agregação de SACs⁹.

Vários métodos foram utilizados para sintetizar SACs para aplicações na hidrogenação de nitroarenos¹⁰, reação de redução de oxigênio e reação de evolução do hidrogênio^11,12, baterias de lítio-oxigênio¹³. A estratégia mais comum é a abordagem de baixo para cima, na qual os precursores metálicos foram absorvidos, reduzidos e imobilizados sobre os defeitos do suporte correspondente. Os complexos metálicos mononucleares também poderiam ser primeiro anexados ao grupo funcional de suportes, seguidos pela posterior remoção dos ligantes orgânicos, criando assim locais metálicos ativos para o processo catalítico. A deposição de camada atômica (ALD) é provavelmente o procedimento mais usado para fabricação de baixo para cima, depositando uma fina camada de filme no substrato com exposição repetida de reagentes. Embora o tamanho do catalisador pudesse ser precisamente controlado e a reatividade pudesse ser muito melhorada¹⁴, a pureza do substrato era bastante exigente, e o carregamento metálico era relativamente baixo, resultando em altos custos de produção para aplicações práticas. Vários métodos, como impregnação direta, co-precipitação e deposição-precipitação, têm sido empregados para imobilizar nanopartículas metálicas nas superfícies de suporte, como óxido de metal e nitreto, através de efeitos de carregamento superficial. No entanto, o aumento da carga metálica geralmente leva a aglomeração significativa e formação de aglomerados dos átomos metálicos ou nanopartículas. Portanto, geralmente, é necessária uma solução metálica muito diluída, levando assim a baixos carregamentos de SACs dos catalisadores¹⁵. Ligantes de amina como a fenanthrolina têm sido empregados para se submeter à pirólise com precursores metálicos para preparar catalisadores metálicos atomicamente dispersos com locais ativos co-n_x altamente ativos para a desidrogenação seletiva do ácido fórmico. No entanto, o carregamento metálico foi relativamente baixo (2-3 wt%) devido ao número limitado de átomos N disponíveis nos precursores de amina¹⁶.

Nas últimas décadas, o hidrogênio tem sido considerado como uma alternativa potencial para substituir combustíveis fósseis ou hidrocarbonetos, como carvão, gás natural e gasolina, devido à vantagem da emissão zero do primeiro. Até agora, cerca de 94% do hidrogênio comercial ainda é produzido a partir do processo de reforma dos combustíveis fósseis, no qual o processo libera uma grande quantidade de gases de efeito estufa¹⁷. Portanto, a produção de hidrogênio a partir de recursos renováveis, como a eletrólise da água, é uma forma de resolver o problema dos recursos fósseis esgotados e das emissões severas de carbono. No entanto, a baixa eficiência de produção de hidrogênio tem dificultado suas aplicações mais amplas. Assim, para superar esta barreira de energia cinética para a divisão da água, inúmeros eletrocatalitos eficientes foram descobertos na última década¹⁸. Outro problema é o problema de armazenamento devido à natureza gasosa e explosiva do gás hidrogênio em condições ambientais. Métodos de armazenamento físico, como a compressão, exigirão que o hidrogênio seja comprimido até 700-800 bar, e o armazenamento criogênico por liquefação exigirá baixa temperatura a -253 °C¹⁹. Embora veículos comercializados movidos a célula de combustível de hidrogênio tenham sido demonstrados com sucesso, o problema de armazenamento ainda não foi resolvido se a tecnologia for usada em aplicações mais amplas, como dispositivos em miniatura e mini-células de combustível. Assim, os métodos de armazenamento do uso de materiais químicos H têm sido um dos focos quentes na pesquisa de energia de hidrogênio. Alguns exemplos de materiais químicos de armazenamento H são a amônia borana (AB)²⁰, ácido fórmico (FA)²¹, gás amônia²², alanato de sódio²³, e hidreto de magnésio²⁴. Entre estes, AB tem baixo peso molecular (30,7 g·mol^-1), altas densidades gravimétricas e volumétricas (196 gH₂·kg^-1 e 146 gH₂· L^-1, respectivamente). Além disso, é um composto estável de ar e umidade, não tóxico e altamente solúvel em água. Nanopartículas metálicas em vários materiais suportados têm sido amplamente utilizadas para liberar os três equivalentes de hidrogênio da AB, como platina- (Pt-), paládio- (Pd-), rutênio- (Ru-), cobalto- (Co-) e catalisadores baseados em níquel(Ni-) Catalisadores heterogêneos co-baseados suportados em materiais de carbono estão especialmente atraindo muita atenção devido ao seu baixo custo, alta abundância e facilidade de recuperação. Várias estratégias sintéticas foram relatadas, como os Co NPs suportados em óxido de grafeno decorado de polietilenimina ramificada²⁵. A estrutura 3D com uma grande área de superfície garante a estabilização de Co NPs mantendo na faixa de tamanho de 2-3 nm e impediu a agregação de NPs. Outra estratégia é usar materiais de carbono dopados em N para suportar Co NPs com tamanhos pequenos. Usando Co(salen)²⁶ e Co-MOF²⁷ (estrutura orgânica metálica) como precursores, Co NPs de 9,0 nm e 3,5 nm suportados em materiais de carbono porosos n-doped foram preparados, respectivamente. A estabilidade em relação à hidrólise AB é alta e a reatividade pode manter mais de 95% da atividade inicial após 10 corridas de reação. Recentemente, catalisadores com micro/nanoestruturas ocas foram explorados para a hidrólise AB. Estes materiais são convencionalmente preparados por métodos hidrotérmicos e têm sido amplamente utilizados para baterias de íons de lítio, supercapacitores, sensores químicos e pesquisa de catálise heterogênea. Assim, a sinergia cobre-cobalto em direção à hidrólise AB foi demonstrada pelo CuMoO oco₄-CoMoo₄²⁸, o que dá um TOF alto de 104,7 min-¹. Outros exemplos altamente dependentes estruturais incluem o CuO-NiO/Co de conchas centrais₃O₄²⁹, o Co_xRio_1−xCo₂O₄@Co_yRio_1−yCo₂O₄ tipo yolk-shell³⁰, e o Ni_0.4Rio_0.6Co₂O₄ nanoarrays³¹ também foram encontrados ativos para a hidrólise AB. Outro tipo de materiais emergentes conhecidos como catalisadores heteroestruturados, como MXenes e hidróxidos duplos em camadas (LDHs), estão cada vez mais sendo explorados para reação eletrocatalílica e fotocatalítica^32,33,34,35. Esses materiais, como o hidróxido duplo em camadas nife^36,37 e os materiais CoB-N com heterointerfaces de boride de carbono-cobalto n-dopados³⁸ são especialmente ativos para evolução de oxigênio e reação de redução. Em princípio, eles poderiam ser ainda mais explorados para reações de evolução de hidrogênio a partir de materiais de armazenamento de hidrogênio, como a amônia borane³⁹. Maximizar a interação entre os catalisadores e substratos também é outra estratégia para a hidrólise AB. Chiang et al. utilizaram o grupo de óxido superficial de óxido de grafeno para formar uma espécie complexa iniciada com AB⁴⁰, assim Ni_0.8Pt_0.2/GO e rGO demonstraram excelente reatividade para a hidrólise AB. O uso de α-MoC como suporte para catalisadores bimetálicos Co e Ni ajudou na ativação de moléculas de água e alcançou alto TOF em direção à hidrólise AB, que é quatro vezes maior que o catalisador comercial Pt/C⁴¹.

Aproveitando-se do alto teor N dos materiais de dicyandiamide e C₃N₄ relacionados, um protocolo para alcançar uma síntese fácil de NPs de cobalto suportados em nanotubos de carbono co-e-n-dopados altamente dispersos é apresentado aqui. A formação gradual in-situ de Co NPs a partir da Co dispersa atômica formada durante a pirólise de materiais C₃N₄ garantem que 1) Co NPs e Co dopants sejam altamente dispersos; 2) Os Co NPs podem ser fortemente ancorados nos suportes de carbono dopados e 3) O tamanho de Co NPs pode ser cuidadosamente controlado pela temperatura e tempo da pirólise. O Co/Co-N-CNT, como resultado dos Co NPs fortemente ancorados e da capacidade dos co dopants de baixar a energia de adsorção das moléculas de água, foi encontrado com estabilidade superior em relação à hidrólise da AB para produção de hidrogênio. Os detalhes do protocolo sintético dos catalisadores e a medição da produção de hidrogênio serão o ponto focal deste relatório.