A equipa de investigação do Professor Xiao Xuezhang e do Professor Chen Lixin da Universidade de Zhejiang, em colaboração com forças relacionadas da Universidade Sun Yat-sen, publicou os seus mais recentes resultados de investigação intitulados "Polarização de Carga Induzida por Terras Raras em Liga de Média Entropia que Conduz à Geração Rápida de Hidrogénio" na Advanced Functional Materials. A equipa propôs uma estratégia de "polarização de carga induzida por terras raras" para projetar catalisadores de ligas de média entropia de alto desempenho, alcançando uma geração eficiente de hidrogénio a partir da alcoólise de borano de amónia (AB) à temperatura ambiente, fornecendo novas ideias de design catalítico para a aplicação em larga escala de energia de hidrogénio. Os doutorandos Chu Fei e Wang Jinze são os co-primeiros autores do artigo.
O contexto da investigação mostra que o composto de alto teor de hidrogénio borano de amónia (NH3BH3, AB) tem uma densidade de armazenamento de hidrogénio de 19,6% em peso e boa estabilidade ambiental, tornando-o um material ideal para armazenamento e produção de hidrogénio. A produção catalítica de hidrogénio a partir de AB e metanol pode ser realizada à temperatura ambiente sem a geração de amónia prejudicial, mostrando potencial como fonte de hidrogénio para veículos de célula de combustível. Entre estes, a desidrogenação no lado do metanol é a etapa determinante da velocidade, exigindo o desenvolvimento de catalisadores altamente ativos e estáveis para promover a decomposição do metanol. Estudos atuais frequentemente usam o centro da banda d para avaliar a capacidade de adsorção de catalisadores, mas devido à falta de uma distinção clara entre as duas etapas de "adsorção-ativação" na decomposição do metanol, a compreensão do mecanismo catalítico é insuficiente, limitando o design de catalisadores de alto desempenho.
Para resolver esta questão, a equipa propôs uma estratégia de "polarização de carga induzida por terras raras", introduzindo o elemento de terra rara La com forte capacidade de fornecimento de eletrões no sistema de liga de média entropia (MEA) CuCoNi, regulando a distribuição de carga entre átomos, e alcançando uma melhoria sinérgica de "adsorção-ativação". O estudo calculou a carga atómica média do sistema CuCoNiX-MEA (X=V, Cr, e outros seis elementos), selecionando La como o componente de dopagem ideal, que forma uma diferença de carga significativa com Cu/Co/Ni, estabelecendo a base para a sinergia de "adsorção-ativação".
A equipe sintetizou catalisadores CuCoNiLa-MEA monofásicos utilizando redução carbotérmica, e caracterizações por XRD, TEM e outras técnicas confirmaram a solução sólida bem-sucedida de átomos de La, determinando 690°C como a temperatura ideal de síntese. Testes de desempenho mostraram que o valor TOF das nanopartículas CuCoNiLa-MEA preparadas nesta temperatura atingiu 102 molH₂ molcat⁻¹ min⁻¹; quando a proporção de dopagem de La foi de 0,3, o catalisador apresentou o melhor desempenho, com o valor TOF aumentando para 147,9 molH₂ molcat⁻¹ min⁻¹, cerca de 50% maior que o do CuCoNi-MEA. Estudos cinéticos revelaram que sua energia de ativação aparente foi tão baixa quanto 31,3 kJ mol⁻¹, inferior aos 35,6 kJ mol⁻¹ do CuCoNi, reduzindo significativamente a barreira cinética da reação.
Estudos de mecanismo revelaram que, após a introdução de La, ocorreu uma polarização significativa de carga interatômica: La exibiu uma carga positiva de +1,124 e, enquanto Cu/Co/Ni exibiram cargas negativas. O La carregado positivamente adsorve o átomo de O do metanol direcionalmente, enquanto o Cu/Co/Ni carregado negativamente adsorve e acelera a dissociação dos átomos de H. Cálculos de DFT e simulações AIMD confirmam que a energia de adsorção do metanol nos sítios de La é mais negativa, com adsorção mais rápida e estável. O acoplamento sinérgico de "adsorção-ativação" aumenta significativamente a eficiência catalítica. Este estudo fornece uma estratégia orientadora inovadora para o projeto de catalisadores de produção de hidrogênio de alto desempenho e baixo custo, o que é de grande importância para o desenvolvimento sustentável da energia do hidrogênio.
