O que é melhor do que platina?

Em células de combustível de hidrogênio, a resposta é porfirinas de cobalto cofacial.

É muito difícil dizer, e se você não é um químico, você provavelmente nunca ouviu falar desses compostos antes. Mas essas moléculas - que são ótimas para facilitar uma reação química necessária para produzir energia a partir do hidrogênio e do oxigênio - podem ser o próximo grande avanço em energia alternativa.

Os compostos se montam no laboratório a partir de blocos de construção químicos semelhantes a Lego, projetados para se encaixarem. É a tecnologia de agitar e assar:os cientistas colocam os pedaços em um frasco, mexa-os juntos e acrescente fogo. Hora extra, os blocos de construção se unem nos lugares certos para formar os complexos finais.

O material é barato e fácil de produzir em grandes quantidades. Isso o torna um candidato ideal para substituir os caros catalisadores de platina usados ​​em células de combustível de hidrogênio hoje, diz Timothy Cook, Ph.D., professor assistente de química na University at Buffalo College of Arts and Sciences, cuja equipe projetou os novos compostos automontados.

Essa tecnologia pode um dia permitir que as montadoras reduzam o preço dos carros a hidrogênio, colocando os veículos ecológicos ao alcance de mais consumidores. Células de combustível de baixo custo também podem impulsionar o desenvolvimento de outros dispositivos movidos a hidrogênio, como geradores de backup. O hidrogênio é considerado uma fonte de energia limpa porque as células de combustível emitem apenas água como subproduto.

"Para baixar o preço dos veículos a hidrogênio e torná-los uma opção realista para mais pessoas, precisamos de um catalisador que seja mais barato do que a platina, "Cook diz." O catalisador que fizemos pode ser montado em grandes quantidades. Tem rutênio e cobalto nele - metais muito mais baratos - e, ainda, funciona tão bem ou melhor do que um catalisador de platina disponível comercialmente que testamos junto com ele. "

Um estudo descrevendo o novo material foi publicado em 29 de maio em Química:Um Jornal Europeu . Os co-autores de Cook incluem a primeira autora Amanda N. Oldacre, um recente Ph.D. em química da UB graduado; UB Química Ph.D. aluno Matthew R. Crawley; e Alan E. Friedman, Ph.D., professor associado de pesquisa em design de materiais e inovação na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da UB.

Um catalisador de fabricação própria

O laboratório de Cook é especializado em automontagem molecular, um poderoso processo de criação de novos materiais.

"Quando penso sobre automontagem molecular, Eu sempre penso em Legos, ", diz ele." Você tem blocos de construção que são projetados para se encaixar, como peças de um quebra-cabeça. Esses blocos de construção são atraídos um pelo outro, e quando você os junta e adiciona energia, eles vêm juntos por conta própria.

"A automontagem é uma ótima maneira de fazer uma molécula complexa. Normalmente, para sintetizar um novo material, você tem que adicionar peças uma a uma, o que leva tempo e dinheiro. A automontagem molecular é mais rápida - é um processo de uma etapa. "

Porfirinas de cobalto cofacial consistem em duas moléculas planas chamadas porfirinas de cobalto, que são empilhados uns sobre os outros como pão de sanduíche e ligados por "clipes" de rutênio.

Para criar os compostos finais, O laboratório de Cook projetou porfirinas e clipes com propriedades químicas que garantiam que eles se conectassem uns aos outros nos locais certos. A equipe então misturou uma solução de porfirinas com os clipes e adicionou calor. Em dois dias, as peças se auto-montaram para formar as porfirinas de cobalto cofacial.

Um catalisador inspirado na natureza

Como o catalisador de platina que eles foram projetados para substituir, as porfirinas de cobalto cofacial facilitam uma reação química em células de combustível de hidrogênio chamada redução de oxigênio. Isso envolve a divisão de uma molécula de oxigênio em dois átomos de oxigênio separados que podem se ligar ao hidrogênio para formar água - uma interação que produz energia.

Os cientistas sabem há muito tempo que as porfirinas são ótimas para captar e dividir o oxigênio:no corpo humano, as versões à base de ferro dessas moléculas são responsáveis ​​por ajudar a converter o oxigênio que respiramos em água, liberando energia no processo, Cook diz.

Mas projetar estruturas de porfirinas artificiais que agem como catalisadores tem sido difícil, ele adiciona. O processo de criação desses compostos costuma ser caro, envolvendo muitas etapas e gerando muito pouco material no final.

A automontagem resolve esses problemas:a equipe de Cook criou 79 gramas de porfirinas de cobalto cofacial para cada 100 gramas de material inicial - muito melhor do que o rendimento de menos de 1 por cento que outros laboratórios relataram ao sintetizar materiais semelhantes. Além disso, sua equipe foi capaz de trocar e testar clipes de rutênio de diferentes comprimentos para ajustar as qualidades eletroquímicas do composto com o objetivo de projetar um catalisador ideal.

"É realmente gratificante trabalhar na química fundamental deste projeto, que poderia ter um grande impacto na conversão de energia neutra em carbono, "diz Oldacre, o primeiro autor. "Usando técnicas de automontagem, podemos fazer materiais mais baratos em 48 horas, sem a dificuldade, etapas de purificação demoradas que outros métodos para sintetizar novos compostos requerem. "