As células a combustível de hidrogênio são uma tecnologia promissora para a produção de energia limpa e renovável, mas o custo e a atividade de seus materiais catódicos é um grande desafio para a comercialização. Muitas células de combustível requerem catalisadores caros à base de platina - substâncias que iniciam e aceleram as reações químicas - para ajudar a converter combustíveis renováveis ​​em energia elétrica. Para tornar as células de combustível de hidrogênio comercialmente viáveis, os cientistas estão procurando catalisadores mais baratos que forneçam a mesma eficiência que a platina pura.

"Como uma bateria, as células de combustível de hidrogênio convertem a energia química armazenada em eletricidade. A diferença é que você está usando um combustível reabastecível, então, em princípio, que 'bateria' duraria para sempre, "disse Adrian Hunt, um cientista da National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), um Departamento de Energia dos EUA (DOE) Office of Science User Facility no Brookhaven National Laboratory do DOE. "Encontrar um catalisador barato e eficaz para células a combustível de hidrogênio é basicamente o Santo Graal para tornar essa tecnologia mais viável."

Participar dessa busca mundial por materiais de cátodo de célula de combustível, pesquisadores da Universidade de Akron desenvolveram um novo método de sintetizar catalisadores a partir de uma combinação de metais - platina e níquel - que formam nanopartículas em formato octaédrico (de oito lados). Embora os cientistas tenham identificado este catalisador como um dos substitutos mais eficientes da platina pura, eles não entenderam completamente por que ela cresce em uma forma octaédrica. Para entender melhor o processo de crescimento, os pesquisadores da Universidade de Akron colaboraram com várias instituições, incluindo Brookhaven e seu NSLS-II.

"Compreender como o catalisador facetado é formado desempenha um papel fundamental no estabelecimento de sua correlação estrutura-propriedade e no projeto de um catalisador melhor, "disse Zhenmeng Peng, investigador principal do laboratório de catálise da Universidade de Akron. "O caso do processo de crescimento para o sistema de níquel-platina é bastante sofisticado, por isso, colaboramos com vários grupos experientes para enfrentar os desafios. As técnicas de ponta do Brookhaven National Lab foram de grande ajuda para estudar este tópico de pesquisa. "

Usando os raios-x ultrabright no NSLS-II e os recursos avançados da linha de luz de espectroscopia de raios-X (IOS) In situ do NSLS-II e Operando Soft, os pesquisadores revelaram a caracterização química da via de crescimento do catalisador em tempo real. Suas descobertas são publicadas em Nature Communications .

"Usamos uma técnica de pesquisa chamada espectroscopia de fotoelétrons de raios-X de pressão ambiente (AP-XPS) para estudar a composição da superfície e o estado químico dos metais nas nanopartículas durante a reação de crescimento, "disse Iradwikanari Waluyo, cientista-chefe do IOS e co-autor do artigo de pesquisa. "Nesta técnica, nós direcionamos raios-x em uma amostra, que faz com que os elétrons sejam liberados. Ao analisar a energia desses elétrons, somos capazes de distinguir os elementos químicos na amostra, bem como seus estados químicos e de oxidação. "

Caçar, que também é um autor no papel, adicionado, "É semelhante à forma como a luz do sol interage com nossas roupas. A luz do sol é quase amarela, mas uma vez que atinge a camisa de uma pessoa, você pode dizer se a camisa é azul, vermelho, ou verde. "

Em vez de cores, os cientistas estavam identificando informações químicas na superfície do catalisador e comparando-as com seu interior. Eles descobriram que, durante a reação de crescimento, a platina metálica se forma primeiro e se torna o núcleo das nanopartículas. Então, quando a reação atinge uma temperatura ligeiramente mais alta, platina ajuda a formar níquel metálico, que mais tarde segregou para a superfície da nanopartícula. Nos estágios finais de crescimento, a superfície se torna aproximadamente uma mistura igual dos dois metais. Este interessante efeito sinérgico entre a platina e o níquel desempenha um papel significativo no desenvolvimento da forma octaédrica da nanopartícula, bem como sua reatividade.

"O bom dessas descobertas é que o níquel é um material barato, enquanto a platina é cara, "Hunt disse." Então, se o níquel na superfície da nanopartícula está catalisando a reação, e essas nanopartículas são ainda mais ativas do que a platina por si só, então, esperançosamente, com mais pesquisas, podemos descobrir a quantidade mínima de platina para adicionar e ainda obter alta atividade, criando um catalisador mais econômico. "

As descobertas dependeram dos recursos avançados do IOS, onde os pesquisadores foram capazes de executar os experimentos em pressões de gás mais altas do que normalmente é possível em experimentos XPS convencionais.

"No IOS, fomos capazes de acompanhar as mudanças na composição e no estado químico das nanopartículas em tempo real durante as condições reais de crescimento, "disse Waluyo.

Estudos adicionais de raios-X e imagens de elétrons concluídos na Advanced Photon Source (APS) no Laboratório Nacional de Argonne do DOE - outro DOE Office of Science User Facility - e na Universidade da Califórnia-Irvine, respectivamente, complementou o trabalho no NSLS-II.

"Este trabalho fundamental destaca o papel significativo do níquel segregado na formação do catalisador em forma octaédrica. Conseguimos mais informações sobre o controle de forma das nanopartículas de catalisador, "Peng disse." Nosso próximo passo é estudar as propriedades catalíticas das nanopartículas facetadas para entender a correlação estrutura-propriedade.