A fim de reduzir o custo das células de combustível de eletrólito de polímero de próxima geração para veículos, os pesquisadores têm desenvolvido alternativas para os proibitivamente caros catalisadores de platina e de metal do grupo da platina (PGM) usados ​​atualmente em eletrodos de células de combustível. Novo trabalho nos laboratórios nacionais de Los Alamos e Oak Ridge está resolvendo questões difíceis de desempenho de células de combustível, tanto na determinação de novos materiais eficientes quanto na compreensão de como eles funcionam em um nível atômico. A pesquisa é descrita esta semana na revista. Ciência .

"O que torna esta exploração especialmente importante é que ela aumenta nossa compreensão de por que exatamente esses catalisadores alternativos estão ativos, "disse Piotr Zelenay, líder do projeto no Laboratório Nacional de Los Alamos. "Temos avançado no campo, mas sem compreender as fontes de atividade; sem os insights estruturais e funcionais, o progresso futuro seria muito difícil. "

Com base em estudos anteriores, a equipe liderada por Los Alamos sintetizou catalisadores compreendendo alternativas de platina de baixo custo que rendem desempenho comparável ao catalisador de célula a combustível PGM padrão usado em aplicações de veículos. Usando microscopia sofisticada no Oak Ridge National Laboratory (ORNL), pesquisadores foram capazes de observar diretamente os sítios ativos de um único átomo no novo material onde ocorre a catálise, que forneceu uma visão única sobre o potencial de eficiência do material livre de PGM.

A platina auxilia na oxidação eletrocatalítica do combustível de hidrogênio no ânodo e na redução eletrocatalítica do oxigênio do ar no cátodo, produzindo eletricidade utilizável. Encontrando um viável, alternativa de catalisador livre de PGM de baixo custo está se tornando cada vez mais possível, mas entender exatamente onde e como a catálise está ocorrendo nesses novos materiais tem sido um desafio de longa data. Isto é verdade, Zelenay observou, especialmente no cátodo da célula de combustível, onde uma reação de redução de oxigênio relativamente lenta, ou ORR, ocorre que requer um "carregamento" significativo de platina.

O novo material examinado neste estudo é um eletrocatalisador de ferro-nitrogênio-carbono (Fe-N-C), sintetizado com dois precursores de nitrogênio que desenvolveram uma estrutura de poros hierárquica para expor uma grande fração das superfícies de carbono ao oxigênio. Seu desempenho de célula de combustível está se aproximando de catalisadores de platina, um avanço significativo, conforme documentado no desempenho do banco de teste da célula de combustível.

Através do uso do microscópio eletrônico de transmissão de varredura com correção de aberração e espectroscopia de perda de energia eletrônica do ORNL, Os pesquisadores de ORNL foram capazes de fornecer a primeira observação direta do local ativo de ORR frequentemente proposto, FeN4, em um nível atômico.

"Com esse desempenho e a visualização atômica dos locais de reação, estamos fechando a lacuna para substituir a platina por um catalisador de alto desempenho pronto para ser ampliado para aplicação potencial em células de combustível para aplicações automotivas, "disse Karren More, Chefe da equipe de microscopia ORNL.

Além disso, a alta atividade dos catalisadores Fe-N-C e a estrutura do sítio ativo FeN4 foi prevista por modelagem computacional conduzida em Los Alamos, assim como a possível via de reação.

"Neste artigo, estamos amarrando a modelagem e os resultados da microscopia com a alta atividade determinada eletroquimicamente de um catalisador de reação de redução de oxigênio livre de PGM, "Zelenay disse.

A pesquisa de Los Alamos com células de combustível amplia as opções de produção de energia em apoio à missão do Laboratório de fortalecer a segurança energética do país.