As células de combustível há muito são vistas como uma fonte de energia promissora. Esses dispositivos, inventado na década de 1830, gerar eletricidade diretamente de produtos químicos, como hidrogênio e oxigênio, e produzir apenas vapor de água como emissões. Mas a maioria das células de combustível são muito caras, ineficiente, ou ambos.

Em uma nova abordagem, inspirado pela biologia e publicado hoje (3 de outubro, 2018) no jornal Joule , uma equipe da Universidade de Wisconsin-Madison projetou uma célula de combustível usando materiais mais baratos e um composto orgânico que transporta elétrons e prótons.

Em uma célula de combustível tradicional, os elétrons e prótons do hidrogênio são transportados de um eletrodo para outro, onde eles se combinam com o oxigênio para produzir água. Este processo converte energia química em eletricidade. Para gerar uma quantidade significativa de carga em um curto espaço de tempo, um catalisador é necessário para acelerar as reações.

Agora mesmo, o melhor catalisador do mercado é a platina - mas ela vem com um preço alto. Isso torna as células de combustível caras e é uma das razões pelas quais existem apenas alguns milhares de veículos movidos a hidrogênio atualmente nas estradas dos EUA.

Shannon Stahl, o professor de química da UW-Madison que liderou o estudo em colaboração com Thatcher Root, um professor de engenharia química e biológica, diz que metais menos caros podem ser usados ​​como catalisadores nas células de combustível atuais, mas apenas se usado em grandes quantidades. "O problema é, quando você anexa muito catalisador a um eletrodo, o material se torna menos eficaz, " ele diz, "levando a uma perda de eficiência energética."

A solução da equipe foi embalar um metal de baixo custo, cobalto, em um reator próximo, onde a maior quantidade de material não interfere no seu desempenho. A equipe então elaborou uma estratégia para transportar elétrons e prótons para frente e para trás desse reator para a célula de combustível.

O veículo certo para este transporte provou ser um composto orgânico, chamado quinona, que pode transportar dois elétrons e prótons por vez. No design da equipe, uma quinona pega essas partículas no eletrodo da célula de combustível, os transporta para o reator próximo preenchido com um catalisador de cobalto barato, e então retorna à célula de combustível para pegar mais "passageiros".

Muitas quinonas se degradam em uma substância semelhante ao alcatrão após apenas algumas viagens de ida e volta. O laboratório de Stahl, Contudo, projetou um derivado de quinona ultra-estável. Ao modificar sua estrutura, a equipe diminuiu drasticamente a deterioração da quinona. Na verdade, os compostos que eles montaram duram até 5, 000 horas - um aumento de mais de 100 vezes na vida útil em comparação com as estruturas anteriores de quinonas.

"Embora não seja a solução final, nosso conceito apresenta uma nova abordagem para resolver os problemas neste campo, "diz Stahl. Ele observa que a produção de energia de seu novo design produz cerca de 20 por cento do que é possível em células de combustível de hidrogênio atualmente no mercado. Por outro lado, o sistema é cerca de 100 vezes mais eficaz do que as células de biocombustível que usam ônibus orgânicos relacionados.

O próximo passo para Stahl e sua equipe é aumentar o desempenho dos mediadores de quinonas, permitindo que eles transportem elétrons com mais eficácia e produzam mais energia. Esse avanço permitiria que seu projeto se equiparasse ao desempenho das células de combustível convencionais, mas com um preço mais baixo.

"O objetivo final deste projeto é dar à indústria opções livres de carbono para a geração de eletricidade, "diz Colin Anson, um pesquisador de pós-doutorado no laboratório Stahl e co-autor da publicação. "O objetivo é descobrir o que a indústria precisa e criar uma célula de combustível que preencha esse buraco."

Essa etapa no desenvolvimento de uma alternativa mais barata pode eventualmente ser uma bênção para empresas como a Amazon e a Home Depot, que já usam células de combustível de hidrogênio para acionar empilhadeiras em seus depósitos.

"Apesar dos grandes obstáculos, a economia do hidrogênio parece estar crescendo, "adiciona Stahl, "um passo de cada vez."