Powering clean, carros eficientes é apenas uma forma pela qual a tecnologia de células de combustível poderia acelerar a humanidade em um futuro de energia sustentável, mas infelizmente, a tecnologia está um pouco lenta. Agora, os engenheiros podem essencialmente turbinar as células de combustível com um novo catalisador.

A lentidão vem de um gargalo químico, a taxa de processamento de oxigênio, um ingrediente chave que ajuda as células de combustível, que estão relacionados a baterias, produzir eletricidade. O novo catalisador, um material nanotecnológico desenvolvido por engenheiros do Georgia Institute of Technology, acelera significativamente o processamento de oxigênio e é o assunto de um novo estudo.

Em parte para acomodar as limitações de oxigênio, células de combustível geralmente requerem combustível de hidrogênio puro, que reage com o oxigênio retirado do ar, mas os custos de produção do hidrogênio têm sido proibitivos. O novo catalisador é uma virada de jogo em potencial.

"Ele pode facilmente converter combustível químico em eletricidade com alta eficiência, "disse Meilin Liu, que liderou o estudo e é professor de regentes na Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da Georgia Tech. "Ele pode permitir que você use combustíveis prontamente disponíveis, como metano ou gás natural, ou apenas use combustível de hidrogênio com muito mais eficiência, "Liu disse.

Catalisador 8 vezes mais rápido

O catalisador atinge a eficiência ao enviar oxigênio através do sistema de uma célula de combustível. "É oito vezes mais rápido que materiais de última geração que fazem a mesma coisa agora, "disse Yu Chen, um associado de pesquisa de pós-doutorado no laboratório de Liu e o primeiro autor do estudo.

Existem alguns tipos de células de combustível, mas os pesquisadores trabalharam para melhorar as células de combustível de óxido sólido, que são encontrados em alguns carros prototípicos de célula de combustível. Os insights da pesquisa também podem ajudar a aperfeiçoar supercapacitores e tecnologia emparelhada com painéis solares, assim, avançando a energia sustentável além do potencial imediato do novo catalisador para melhorar as células de combustível.

Liu e Chen publicaram seu estudo na edição de março da revista Joule . Sua pesquisa foi financiada pelo Departamento de Energia dos EUA e pelo Programa de Pesquisa Inovadora e Empreendedora de Guangdong. O trabalho com células de combustível do laboratório de Liu já atraiu um interesse significativo da indústria de energia e da indústria automotiva.

Oxigênio naturalmente lento

Embora funcionem de forma diferente das células de combustível e sejam muito menos eficientes e limpas, motores de combustão são uma metáfora útil para ajudar a entender como as células de combustível e o novo catalisador funcionam.

Em um motor de combustão, o combustível de um tanque e o oxigênio do ar se unem para reagir em uma explosão, produzindo energia que gira um virabrequim. Adicionar um turbocompressor acelera o processo misturando combustível e oxigênio mais rapidamente e levando-os à combustão.

Atualmente, em células de combustível, combustível de hidrogênio de um tanque e oxigênio do ar também conduzem um processo que produz energia, nesse caso, eletricidade. Os dois ingredientes se unem em uma reação, mas um muito diferente da combustão, e muito mais limpo.

Uma extremidade da célula de combustível, o ânodo, remove elétrons dos átomos de hidrogênio no que é chamado de oxidação e envia os elétrons por um circuito externo como corrente elétrica para o cátodo do outro lado. Lá, oxigênio, que é notoriamente faminto por elétrons, suga os elétrons no que é chamado de redução, e isso mantém a eletricidade fluindo.

O hidrogênio, agora positivamente carregado, e o oxigênio, agora carregado negativamente, encontram-se para formar água, que é o escapamento da célula de combustível.

Nessa cadeia de reação, o oxigênio é o elo lento de duas maneiras:a redução do oxigênio leva mais tempo do que a oxidação do hidrogênio, e o oxigênio reduzido se move mais lentamente através do sistema para encontrar o hidrogênio. Análogo ao turboalimentador, o novo catalisador empurra o oxigênio para a frente.

Nano corrida de oxigênio

O catalisador é aplicado como um revestimento transparente com apenas cerca de duas dezenas de nanômetros de espessura e é composto de duas soluções de nanotecnologia conectadas que quebram os dois gargalos de oxigênio.

Primeiro, nanopartículas altamente atrativas ao oxigênio agarram a molécula de O2 e permitem que os elétrons que entram rapidamente saltem para ela, reduzi-lo facilmente e dividi-lo em dois íons de oxigênio separados (cada um um O2-). Então, uma série de lacunas químicas chamadas de vacâncias de oxigênio, que são incorporadas às estruturas das nanopartículas, sugam os íons de oxigênio como cadeias de aspiradores de pó que passam os íons mão a mão para a segunda fase do catalisador.

A segunda fase é um revestimento cheio de vagas de oxigênio que podem passar o O2 - ainda mais rapidamente em direção ao seu destino final.

"O oxigênio desce rapidamente através dos canais e entra na célula de combustível, onde se encontra com o hidrogênio ionizado ou outro doador de elétrons como o metano ou o gás natural. "

Os íons se encontram para fazer água, que sai da célula de combustível. No caso do combustível metano, CO2 puro também é emitido, que pode ser capturado e reciclado como combustível.

Metais raros interessantes

Na primeira fase, existem dois sabores diferentes de nanopartículas em ação. Ambos têm cobalto, mas um contém bário e o outro praseodímio, um metal de terra rara que pode ser caro em grandes quantidades.

"O praseodímio está em quantidades tão pequenas que não afeta os custos, "Liu disse." E o catalisador economiza muito dinheiro com combustível e outras coisas. "

Altas temperaturas de operação em células de combustível existentes exigem caixas de proteção e materiais de resfriamento caros. Os pesquisadores acreditam que o catalisador pode ajudar a diminuir as temperaturas, reduzindo a resistência elétrica inerente à química atual das células de combustível. Isso poderia, por sua vez, reduzir os custos gerais de material.

Revestimento protetor de cátodo

O segundo estágio do catalisador é uma rede que contém praseodímio e bário, bem como cálcio e cobalto (PBCC). Além de sua função catalítica, o revestimento PBCC protege o cátodo da degradação que pode limitar a vida útil das células de combustível e dispositivos semelhantes.

O material do cátodo original subjacente, que contém os metais lantânio, estrôncio, cobalto, e ferro (LSCF), tornou-se um padrão da indústria, mas vem com uma ressalva.

"É muito condutor, muito bom, mas o problema é que o estrôncio sofre uma diminuição chamada segregação no material, "Liu disse." Um componente do nosso catalisador, PBCC, atua como um revestimento e mantém o LSCF muito mais estável. "

A fabricação de LSCF já está bem estabelecida, e adicionar o revestimento de catalisador à produção poderia ser razoavelmente alcançado. Liu também está considerando substituir o cátodo LSCF completamente pelo novo material catalisador, e seu laboratório está desenvolvendo um outro catalisador para aumentar as reações de oxidação do combustível no ânodo da célula a combustível.