Influência do teor de antimônio como dopante em catalisador de IrOx/ATO para a reação de evolução de oxigênio

Abstract

O hidrogênio verde, produzido por eletrólise da água utilizando fontes renováveis de energia, tem sido amplamente considerado um vetor energético estratégico para a transição energética e a descarbonização global. Nesse contexto, os eletrolisadores de membrana de troca protônica (PEMWE) destacam-se como uma das tecnologias mais promissoras para a produção de hidrogênio de alta pureza. Entretanto, o desempenho e a durabilidade desses sistemas dependem fortemente da estabilidade dos materiais utilizados no ânodo, onde catalisadores à base de irídio (Ir) são empregados devido à sua elevada resistência em meio ácido e sob altos potenciais. Para reduzir o uso de irídio e melhorar a dispersão do material ativo, o emprego de suportes óxidos estáveis tem sido amplamente investigado. Entre esses materiais, o óxido de estanho dopado com antimônio (ATO) tem recebido atenção significativa, uma vez que a introdução de antimônio (Sb) na estrutura do SnO2 pode modificar propriedades estruturais e morfológicas do suporte. Apesar dessas vantagens, a estabilidade química do ATO ainda representa um desafio, pois a lixiviação do dopante Sb sob condições anódicas severas pode comprometer a integridade estrutural do material ao longo do tempo. Diante desse cenário, este trabalho teve como objetivo investigar de forma sistemática o efeito da variação do teor de antimônio em suportes de ATO na estabilidade de catalisadores à base de óxido de irídio (IrOx/ATO). Para isso, foram sintetizados suportes de ATO com diferentes níveis de dopagem de Sb, incluindo SnO2 não dopado e ATOs contendo entre 3% e 10% de antimônio. Posteriormente, catalisadores de IrOx foram depositados sobre esses suportes. A caracterização estrutural indicou que a presença de Sb influencia parâmetros como o tamanho médio de cristalito e a organização estrutural do material. Os resultados obtidos indicam que a estabilidade do suporte constitui um dos principais desafios para o desenvolvimento de materiais suportados para aplicações em condições anódicas severas. Observou-se que maiores teores de antimônio favorecem processos de lixiviação do dopante, o que pode levar à degradação progressiva do suporte ao longo do tempo. Dessa forma, os resultados sugerem que o controle do nível de dopagem de Sb é um fator importante no desenvolvimento de suportes baseados em ATO, sendo necessário estabelecer um equilíbrio entre modificação estrutural do material e sua resistência à degradação em condições operacionais agressivas. Palavras-chave: hidrogênio verde; reação de evolução de oxigênio; catalisadores ; estabilidade eletroquímica.Green hydrogen, produced through water electrolysis using renewable energy sources, has been widely considered a strategic energy carrier for the global energy transition and decarbonization. In this context, proton exchange membrane water electrolyzers (PEMWE) stand out as one of the most promising technologies for producing high-purity hydrogen. However, the performance and durability of these systems strongly depend on the stability of the materials used at the anode, where iridium-based catalysts (Ir) are typically employed due to their high resistance in acidic media and under high anodic potentials. To reduce the amount of iridium used and improve the dispersion of the active material, the use of stable oxide supports has been extensively investigated. Among these materials, antimony-doped tin oxide (ATO) has received significant attention, since the incorporation of antimony (Sb) into the SnO2 structure can modify the structural and morphological properties of the support. Despite these advantages, the chemical stability of ATO remains a challenge, as the leaching of the Sb dopant under severe anodic conditions may compromise the structural integrity of the material over time. In this context, the objective of this work was to systematically investigate the effect of varying the antimony content in ATO supports on the stability of iridium oxide-based catalysts (IrOx/ATO). For this purpose, ATO supports with different Sb doping levels were synthesized, including undoped SnO2 and ATO materials containing between 3% and 10% antimony. Subsequently, IrOx catalysts were deposited onto these supports. Structural characterization indicated that the presence of Sb influences parameters such as the average crystallite size and the structural organization of the material. The results indicate that the stability of the support represents one of the main challenges for the development of supported materials intended for operation under severe anodic conditions. Higher antimony contents were found to promote dopant leaching processes, which may lead to the progressive degradation of the support over time. Therefore, the findings suggest that controlling the Sb doping level is an important factor in the development of ATO-based supports, requiring a balance between structural modification of the material and resistance to degradation under harsh operational conditions. Keywords: green Hydrogen ; oxygen evolution reaction ; catalysts; electrochemical stability