Os pesquisadores da Lehigh colaboraram com colegas na China e em três laboratórios nacionais nos Estados Unidos para desenvolver um catalisador à base de ouro que eles acreditam poder melhorar o desempenho e a eficiência das células de combustível que funcionam com hidrogênio.

Escrevendo em Ciência revista, o grupo disse que seu catalisador - que compreende nanopartículas de ouro semelhantes a jangadas em um tipo especial de substrato de carboneto de molibdênio (α-MoC) - atingiu um alto nível de atividade em baixas temperaturas enquanto produzia os fluxos puros de hidrogênio necessários para alimentar as células de combustível.

Os pesquisadores disseram que alcançaram seus resultados utilizando a reação de deslocamento água-gás (WGS), que converte o monóxido de carbono (CO) e água em hidrogênio (H2) e dióxido de carbono (CO2). O grupo foi capaz de purificar o hidrogênio usando todo o CO disponível, que tende a desativar os catalisadores de células de combustível. A reação WGS, que é normalmente usado para fazer hidrogênio para a fabricação de produtos químicos como amônia, também é uma parte crítica do esforço de transição dos combustíveis à base de hidrocarbonetos para o hidrogênio.

"Nossa reação produz um fluxo de hidrogênio altamente puro que não está contaminado com CO, que, se presente, envenenaria os catalisadores dentro da célula de combustível, "disse Christopher J. Kiely, Harold B. Chambers Professor Sênior de Ciência e Engenharia de Materiais em Lehigh. "Estamos muito entusiasmados com este desenvolvimento porque nos aproxima de ter carros que funcionam com células de combustível de hidrogênio."

Kiely disse que o uso do substrato α-MoC - uma inovação de Ding Ma e seus colegas na Universidade de Pequim na China - permitiu ao grupo superar as deficiências relatadas anteriormente com a catalisação da reação WGS.

"Há muito se sabe que o ouro suportado em vários substratos de óxido pode causar a reação WGS. O ponto de discórdia até agora é que geralmente a atividade catalítica era muito baixa e, invariavelmente, o catalisador não era estável o suficiente para uso a longo prazo."

O grupo relatou seus resultados em 28 de julho em um artigo intitulado "Aglomerados de Au em camadas atômicas em carboneto de alfa-molibdênio (α-MoC) como catalisadores para a reação de deslocamento de água-gás em baixa temperatura."

Além de Kiely, os autores do artigo incluem Li Lu, um Lehigh Ph.D. candidato, e Wu Zhou, que obteve seu Ph.D. em Lehigh em 2010 e agora é professor na Universidade da Academia Chinesa de Ciências em Pequim.

Os outros autores são afiliados à Universidade de Pequim, Dalian University of Technology, Synfuels China e Taiyuan University of Technology, tudo na China, e Oak Ridge, Brookhaven e Lawrence Berkeley National Laboratories nos EUA. O principal cientista no trabalho é Ding Ma, professor da Faculdade de Química e Engenharia Molecular e da Faculdade de Engenharia da Universidade de Pequim, em Pequim.

Para alcançar alta atividade catalítica em baixa temperatura (isto é, abaixo dos 150 graus C. necessários para operar com eficiência uma célula de combustível), o grupo dispersou o ouro em um carboneto (α-MoC) em vez do óxido de ferro, óxido de cério ou outro substrato de óxido redutível previamente testado para a reação WGS. A nova formulação do catalisador se mostrou mais estável do que os catalisadores convencionais, enquanto atinge uma atividade muito maior, uma medida da eficiência de um catalisador.

"A beleza do suporte α-MoC, "disse Kiely, "é que ele pode ativar a água para que crie espécies de hidroxila (OH) de superfície ativa, que pode então reagir com o CO para dar hidrogênio e CO2. O suporte de carboneto, portanto, desempenha um papel muito forte e crítico nesta reação.

"Este sistema funciona muito bem nas temperaturas e pressões necessárias para aplicações em células de combustível e sua atividade é uma ordem de magnitude melhor do que a dos catalisadores à base de ouro testados anteriormente."

Em estudos feitos com o microscópio eletrônico de transmissão de varredura com correção de aberração de Lehigh (STEM), o grupo demonstrou que o ouro existe em duas formas distintas no suporte α-MoC.

"A microscopia mostrou que o ouro existe como jangadas em nanoescala com apenas alguns átomos de espessura e também como átomos de ouro individuais dispersos sobre o suporte, "disse Kiely, que dirige as instalações de microscopia eletrônica e nanofabricação de Lehigh.

"Medimos a atividade catalítica com ambas as espécies presentes no suporte α-MoC. Em seguida, removemos seletivamente as partículas, deixando apenas os átomos para trás. Quando fizemos isso, a atividade caiu para menos de um décimo de seu nível original. Isso nos mostrou que a maior parte da atividade vem dessas partículas semelhantes a jangadas. "

O artigo é o nono que Kiely publicou até hoje na Science; ele também publicou quatro na Nature. As duas publicações são consideradas as principais revistas científicas do mundo.

No início deste mês, Kiely recebeu uma das maiores honrarias em sua área ao ser nomeado Fellow da Microscopy Society of America.

A designação de MSA Fellow reconhece anualmente membros ilustres seniores da sociedade cujas realizações e serviços fizeram contribuições significativas para o avanço dos campos da microscopia e microanálise.

Kiely foi citada por "contribuições importantes para a caracterização de recursos em nanoescala em materiais particulados e interfaces, particularmente nas áreas de materiais catalisadores, fenômenos de automontagem de nanopartículas, materiais carbonosos, e heterointerfaces de semicondutores. "