Nano

Feb 01, 2024

15 de dezembro de 2022

da Particuologia

O metal precioso platina é um catalisador chave para as reações químicas no centro da próxima geração de células a combustível de hidrogênio mais compactas e de alto desempenho. Mas o elevado custo da platina está a impedir a adopção generalizada desta tecnologia.

Os pesquisadores, no entanto, desenvolveram uma liga de platina e cobalto em escala nanométrica para usar como catalisador, reduzindo drasticamente a quantidade de platina necessária para alcançar o mesmo – ou até melhor – desempenho.

Uma descrição deste novo eletrocatalisador de platina-cobalto e a técnica usada para produzi-lo foi publicada na revista Particuology em 15 de dezembro.

As células de combustível de hidrogénio serão necessárias na transição limpa para as partes da economia, em particular os transportes pesados, que são difíceis de eletrificar utilizando a tecnologia de baterias. Infelizmente, a célula de combustível mais comummente utilizada, a célula de combustível alcalina, continua a ser bastante volumosa, limitando a sua aplicação em sectores como o transporte marítimo e a aviação, onde o espaço é escasso.

A próxima geração de células a combustível, as células a combustível com membrana de troca de prótons (PEMFCs - às vezes chamadas de células a combustível com membrana de eletrólito polimérico), é muito mais compacta.

Infelizmente, o principal catalisador – substâncias que ajudam a acelerar as reações químicas – utilizado numa reação chave envolvida na PEMFCS (a reação de redução de oxigénio, ou ORR) é o metal raro e, portanto, caro, a platina. O alto custo da platina já é uma das maiores barreiras para uma adoção mais ampla do PEMFC. De acordo com dados do Departamento de Energia dos EUA, os catalisadores metálicos do grupo da platina em células de combustível representam atualmente mais de 40% do seu custo. Na verdade, metade de toda a produção de platina no mundo é utilizada pela indústria automobilística.

"Isto significa que, mesmo que o elevado custo da platina esteja a limitar a adopção de células de combustível nos veículos, caso ocorra uma adopção mais ampla, isso apenas agravaria o problema, pois haveria uma procura ainda maior e, portanto, preços mais elevados, para este metal raro, ", disse Zhonghua Xiang, autor do artigo e eletroquímico da Universidade de Tecnologia Química de Pequim.

Assim, qualquer caminho para uma adoção mais ampla da tecnologia de células de combustível envolve necessariamente alguma redução da quantidade de platina necessária, seja trocando-a por algum outro material catalisador, ou reduzindo a quantidade de platina necessária sem comprometer o desempenho.

Uma grande quantidade de pesquisas se concentrou nesta última abordagem. Os pesquisadores concentraram-se particularmente na liga de platina com cobalto, diluindo, na verdade, a quantidade de platina necessária para alcançar o mesmo resultado. A razão para isso é que várias ligas de platina-cobalto têm uma “área de superfície ativa” maior – os espaços nas moléculas do catalisador onde as reações químicas relevantes podem ocorrer.

No entanto, o ajuste fino do grau de liga para alcançar o desempenho ideal de ORR continua sendo um grande desafio.

Assim, o professor Xiang sintetizou um precursor de platina-cobalto-carbono (o composto que funciona para produzir um segundo composto, neste caso a liga de platina-cobalto) usando dimetilamina borano (DMAB) como agente redutor (uma substância que doa elétrons para outro um em uma reação química). Este precursor foi aquecido a alta temperatura em um ambiente de hidrogênio e gás argônio para produzir uma liga de platina-cobalto envolvendo três átomos de platina para cada átomo de cobalto na forma de partículas em nanoescala.

A estrutura dos elétrons nesta liga particular de platina-cobalto permite uma grande quantidade de atividade na superfície da membrana dos eletrodos na célula de combustível. Como resultado, o desempenho da célula de combustível é melhorado e é alcançada uma grande estabilidade para a célula de combustível. Este último benefício foi demonstrado apenas pela ligeira deterioração do desempenho após 10.000 ciclos da célula de combustível. Testes adicionais em células de combustível individuais mostraram que sua abordagem excedia consideravelmente os requisitos dos padrões do Departamento de Energia dos EUA.