Um fator que impede o uso generalizado de células de combustível de hidrogênio ecologicamente corretas em carros, caminhões e outros veículos é o custo dos catalisadores de platina que fazem as células funcionarem. Uma abordagem para usar platina menos preciosa é combiná-la com outros metais mais baratos, mas esses catalisadores de liga tendem a se degradar rapidamente em condições de célula de combustível.

Agora, pesquisadores da Brown University desenvolveram um novo catalisador de liga que reduz o uso de platina e se mantém bem em testes de células de combustível. O catalisador, feito de liga de platina com cobalto em nanopartículas, demonstrou superar as metas do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) para o ano de 2020 em reatividade e durabilidade, de acordo com os testes descritos no jornal Joule .

"A durabilidade dos catalisadores de liga é um grande problema no campo, "disse Junrui Li, estudante de graduação em química na Brown e principal autor do estudo. "Foi demonstrado que as ligas têm um desempenho melhor do que a platina pura inicialmente, mas nas condições, dentro de uma célula de combustível, a parte de metal não precioso do catalisador é oxidada e lixiviada muito rapidamente. "

Para resolver este problema de lixiviação, Li e seus colegas desenvolveram nanopartículas de liga com uma estrutura especializada. As partículas têm uma camada externa de platina pura envolvendo um núcleo feito de camadas alternadas de átomos de platina e cobalto. Essa estrutura central em camadas é a chave para a reatividade e durabilidade do catalisador, diz Shouheng Sun, professor de química da Brown e autor sênior da pesquisa.

"O arranjo em camadas dos átomos no núcleo ajuda a suavizar e apertar a estrutura da platina na camada externa, "Disse Sun." Isso aumenta a reatividade da platina e, ao mesmo tempo, protege os átomos de cobalto de serem consumidos durante uma reação. É por isso que essas partículas têm um desempenho muito melhor do que as partículas de liga com arranjos aleatórios de átomos de metal. "

Os detalhes de como a estrutura ordenada aumenta a atividade do catalisador são descritos brevemente no Joule papel, mas mais especificamente em um artigo de modelagem de computador separado publicado no Journal of Chemical Physics . O trabalho de modelagem foi liderado por Andrew Peterson, um professor associado na Escola de Engenharia de Brown, que também foi co-autor do Joule papel.

Para o trabalho experimental, os pesquisadores testaram a capacidade do catalisador para realizar a reação de redução de oxigênio, o que é crítico para o desempenho e durabilidade da célula de combustível. Em um lado de uma célula de combustível de membrana de troca de prótons (PEM), elétrons retirados do combustível de hidrogênio criam uma corrente que aciona um motor elétrico. Do outro lado da célula, átomos de oxigênio absorvem esses elétrons para completar o circuito. Isso é feito por meio da reação de redução de oxigênio.

O teste inicial mostrou que o catalisador teve um bom desempenho no ambiente de laboratório, superando um catalisador de liga de platina mais tradicional. O novo catalisador manteve sua atividade após 30, 000 ciclos de tensão, enquanto o desempenho do catalisador tradicional caiu significativamente.

Mas, embora os testes de laboratório sejam importantes para avaliar as propriedades de um catalisador, os pesquisadores dizem, eles não mostram necessariamente o quão bem o catalisador funcionará em uma célula de combustível real. O ambiente da célula de combustível é muito mais quente e difere em acidez em comparação com os ambientes de teste de laboratório, que pode acelerar a degradação do catalisador. Para descobrir o quão bem o catalisador se manteria naquele ambiente, os pesquisadores enviaram o catalisador ao Laboratório Nacional de Los Alamos para teste em uma célula de combustível real.

O teste mostrou que o catalisador supera as metas estabelecidas pelo Departamento de Energia (DOE) para a atividade inicial e durabilidade de longo prazo. O DOE desafiou os pesquisadores a desenvolver um catalisador com uma atividade inicial de 0,44 amperes por miligrama de platina até 2020, e uma atividade de pelo menos 0,26 amperes por miligrama após 30, 000 ciclos de tensão (aproximadamente equivalente a cinco anos de uso em um veículo com célula de combustível). O teste do novo catalisador mostrou que ele tinha uma atividade inicial de 0,56 amperes por miligrama e uma atividade após 30, 000 ciclos de 0,45 amperes.

"Mesmo depois dos 30, 000 ciclos, nosso catalisador ainda excedeu a meta DOE para a atividade inicial, "Disse Sun." Esse tipo de desempenho em um ambiente de célula de combustível do mundo real é realmente promissor. "

Os pesquisadores solicitaram uma patente provisória do catalisador, e eles esperam continuar a desenvolvê-lo e refiná-lo.