No jornal Ciência , Os químicos da Argonne identificaram um novo catalisador que maximiza a eficácia da platina.

A platina é um metal precioso mais raro do que a prata ou o ouro. Renomado na comunidade de células de combustível por sua eficácia na conversão de hidrogênio e oxigênio em água e eletricidade, a platina oferece atividade e estabilidade incomparáveis ​​para reações eletroquímicas.

Mas a platina é escassa e cara, o que significa que os cientistas estão procurando criar catalisadores de células de combustível práticos que usem muito menos do caro metal precioso.

Em uma nova pesquisa do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), publicado em Ciência , os cientistas identificaram um novo catalisador que usa apenas cerca de um quarto da platina que a tecnologia atual, maximizando a eficácia da platina disponível.

Em uma célula de combustível, a platina é usada de duas maneiras - para converter hidrogênio em prótons e elétrons, e para quebrar as ligações de oxigênio e, eventualmente, formar água. A última reação, a reação de redução de oxigênio, requer uma quantidade especialmente grande de platina, e os cientistas estão procurando uma maneira de reduzir o conteúdo de platina nos catalisadores de redução de oxigênio.

Os cientistas da Argonne descobriram novas maneiras de melhorar substancialmente a utilização da platina. Primeiro, eles ajustaram a forma da platina para maximizar sua disponibilidade e reatividade no catalisador. Nesta configuração, algumas camadas de átomos de platina pura cobrem um núcleo de nanopartículas de liga de cobalto-platina para formar uma estrutura de núcleo-casca.

"Se você receber apenas uma pequena quantidade de platina, em primeiro lugar, você tem que fazer o melhor uso dele, "disse o químico de Argonne Di-Jia Liu, o autor correspondente do estudo. "Usar uma liga de núcleo de platina-cobalto nos permite fazer um maior número de partículas cataliticamente ativas para espalhar sobre a superfície do catalisador, mas este é apenas o primeiro passo. "

As nanopartículas da casca do núcleo por si mesmas ainda não poderiam lidar com um grande influxo de oxigênio quando a célula de combustível precisa aumentar a corrente elétrica. Para aumentar a eficiência do catalisador, Liu e seus colegas confiaram em outra abordagem que conheciam bem em suas pesquisas anteriores, produzindo um cataliticamente ativo, substrato isento de metal do grupo da platina (livre de PGM) como suporte para as nanopartículas de liga de cobalto-platina.

Usando estruturas metal-orgânicas como precursores, Liu e seus colegas foram capazes de preparar um substrato composto de cobalto-nitrogênio-carbono no qual os centros cataliticamente ativos são uniformemente distribuídos perto das partículas de platina-cobalto. Esses centros ativos são capazes de quebrar as ligações de oxigênio por si próprios e trabalhar sinergicamente com a platina.

"Você pode pensar nisso como um time de futebol molecular, "Liu disse." As nanopartículas da casca do núcleo agem como linhagens defensivas espalhadas por todo o campo, tentando lidar com muitas moléculas de oxigênio ao mesmo tempo. O que fizemos foi tornar o próprio 'campo' cataliticamente ativo, capaz de auxiliar no combate ao oxigênio. "

Como se viu, o novo catalisador combinado não apenas melhorou a atividade, mas também a durabilidade em comparação com qualquer um dos componentes isoladamente.

Liu e seus colegas criaram um processo patenteado que envolve primeiro o aquecimento de estruturas metal-orgânicas contendo cobalto. Conforme a temperatura aumenta, alguns dos átomos de cobalto interagem com os orgânicos para formar um substrato livre de PGM, enquanto outros são reduzidos a pequenos aglomerados de metal bem dispersos em todo o substrato. Após a adição de platina seguida de recozimento, Partículas de núcleo-casca de platina-cobalto são formadas e circundadas por sítios ativos livres de PGM.

Embora o objetivo final seja eliminar totalmente a platina dos catalisadores de células de combustível de hidrogênio, Liu disse que a pesquisa atual abre uma nova direção ao abordar a atividade do catalisador de células de combustível e a durabilidade de uma forma econômica. "Como os novos catalisadores requerem apenas uma quantidade ultrabaixa de platina, semelhante ao usado em conversores catalíticos automotivos existentes, poderia ajudar a facilitar a transição de motores de combustão interna convencionais para veículos de célula de combustível sem interromper a cadeia de abastecimento de platina e o mercado, " ele disse.

O estudo consistiu na concepção e síntese do catalisador, modelagem computacional e caracterização estrutural avançada na fonte avançada de fótons da Argonne e no centro de materiais em nanoescala, ambos DOE Office of Science User Facilities.

Um artigo baseado no estudo, "Catalisadores de células de combustível de platina-cobalto de carregamento ultrabaixo derivados de estruturas de imidazolato, "apareceu na edição de 8 de novembro da Ciência .