Papel da substituição de íons de vanádio no espinélio MnCo2O4 para aumentar a atividade eletrocatalítica para geração de hidrogênio

Jul 26, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 2120 (2023) Citar este artigo

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A melhoria de eletrocatalisadores (ECs) eficientes para geração de hidrogênio por meio da separação da água é de interesse significativo para enfrentar a próxima crise de energia. A geração sustentável de hidrogênio é o principal pré-requisito para a concretização da futura economia do hidrogênio. Este trabalho examina a atividade eletrocatalítica de microesferas de óxido de espinélio (MC) MnCo dopadas com vanádio preparadas hidrotermalmente, MnVxCo2−xO4 (Vx-MnCo MC, onde x ≤ 0,4) no processo HER (reação de evolução de hidrogênio). As medidas de magnetização demonstraram uma transição paramagnética (em altas temperaturas) para ferrimagnética (em baixas temperaturas) abaixo da temperatura de Curie (Tc) em todas as amostras. A magnetização é intensificada com o aumento do teor de vanádio dos MCs. O catalisador otimizado Vx-MnCo MCs (x = 0,3) superou outros ECs preparados com uma inclinação Tafel de 84 mV/dec, um baixo potencial de início de 78,9 mV e um baixo sobrepotencial de 85,9 mV a uma densidade de corrente de 10 mA/cm2 , respectivamente. O desempenho HER significativamente melhorado de MCs Vx-MnCo sintetizados hidrotermicamente (x = 0,3) é principalmente atribuível a muitos locais ativos expostos, transporte acelerado de elétrons na interface EC/eletrólito e notável valor de espectroscopia eletrônica para análise química (ECSA) encontrado ~ 11,4 cm2. Além disso, o eletrodo Vx-MnCo MCs (x = 0,3) exibiu excelente estabilidade eletrocatalítica após exposição a 1000 ciclos voltamétricos cíclicos e 36 h de teste cronoamperométrico. Nossos resultados sugerem uma rota viável para o desenvolvimento de EC baseado em óxido de metal de transição abundante na terra como um eletrodo superior para futuras aplicações de eletrólise de água.

O hidrogênio é uma das tecnologias mais sustentáveis ​​e de baixo custo para a produção de energia limpa em larga escala para resolver o problema global de energia1. Os combustíveis fósseis consomem uma quantidade significativa de recursos naturais e produzem produtos indesejados como o CO2, o que gera uma situação alarmante devido ao efeito estufa2. O uso de hidrogênio e oxigênio como combustível é considerado um excelente candidato a fonte de energia limpa para atender às crescentes demandas energéticas, mudanças climáticas, etc3. A separação eletrocatalítica da água demonstra uma fonte de energia sustentada para gerar hidrogênio/oxigênio em larga escala, atribuível à alta pureza, alta eficiência e poluição zero4,5. Várias ligas e óxidos de materiais são candidatos bem conhecidos para o desenvolvimento de eletrodos de hidrogênio/oxigênio. Como resultado, certos óxidos com metais de transição, como estruturas de espinélio, têm alta condutividade eletrônica e exibem atividade eletroquímica significativa na reação de evolução de hidrogênio/oxigênio (HER/OER) por causa de suas excelentes características químicas e físicas. Uma seleção de parâmetros como temperatura, método de preparação, íons de substituição e pH da solução precursora melhorou substancialmente a atividade catalítica dos espinélios6,7,8. Assim, ajustar a fase das amostras de óxido de espinela pode otimizar o funcionamento da evolução de hidrogênio da amostra9,10,11,12.

O MnCo2O4 tem uma estrutura espinélio inversa na qual os íons Mn2+ e os íons Co2+ ocuparam os sítios octaédricos (Oh, B) e estão distribuídos uniformemente pelos sítios Oh e tetraédricos (Td, A). A substituição de cátions em espinélio MnCo2O4 pode alterar significativamente suas características elétricas e magnéticas, pois a distância de transferência de elétrons entre B e B é curta, o que aumenta a transferência de elétrons e a condutividade elétrica13,14. O efeito da composição de cátions nas características magnéticas do sistema espinélio cúbico misto de Co2−xBixMnO4 (0,0 ≤ x ≤ 0,3) foi examinado por Rajeevan et al15. A substituição do Ni2+ nas propriedades magnéticas do MnCo2O4 também foi estudada por Wang e cols.16. O levantamento da literatura mostrou que a influência da substituição de cátions nas propriedades magnéticas do MnCo2O4 ainda é baixa e necessita de mais investigação.