Os sistemas de energia eletroquímica - processos pelos quais a energia elétrica é convertida em energia química - estão no centro do estabelecimento de geração e armazenamento mais eficientes de energia intermitente de fontes renováveis ​​em células de combustível e baterias.

As substâncias poderosas conhecidas como catalisadores, que são usados ​​para acelerar reações químicas, são atores-chave nesses sistemas. O tamanho e a eficiência das células de combustível, por exemplo, poderia se beneficiar muito com o uso de catalisadores de alto desempenho.

Produzir melhores catalisadores é mais fácil dizer do que fazer, Contudo. A utilidade de um catalisador é parcialmente baseada na quantidade e qualidade de seus sítios ativos, devido à geometria específica dos sites e propriedades eletrônicas. Projetar esses sites pode ser uma tarefa árdua, processo ineficiente.

Agora, pesquisadores da Universidade de Delaware revolucionaram a maneira como os cientistas podem projetar estruturas catalisadoras. Trabalho deles, apresentado na última edição da principal revista científica Química da Natureza , estabeleceu uma nova abordagem para o gerenciamento de substâncias químicas altamente sensíveis à estrutura para atingir a atividade mais alta possível, considerando a estabilidade do catalisador.

"A otimização de catalisadores em nível atômico é um problema antigo, como os centros ativos são normalmente desconhecidos, e a melhor forma de empacotá-los juntos para realizar a química permanece indefinida, "disse Dion Vlachos, Allan e Myra Ferguson, Presidente de Engenharia Química da UD e co-autor do artigo. "À medida que projetamos materiais para melhorar o desempenho, a estabilidade dos materiais é crítica. Nosso método é o primeiro a abordar a engenharia de cristal com precisão atômica e estabilidade de material. "

De acordo com os pesquisadores, o que diferencia seu método é a simplificação da síntese material, usando computadores para criar variações microscópicas - ou nanodefeitos - na superfície de um catalisador.

"No passado, pesquisadores modelaram diferentes locais ativos, um de cada vez, o que consome muito tempo, "diz o co-autor Marcel Nunez, que obteve seu doutorado em engenharia química e biomolecular na UD e agora atua como engenheiro de design na Intel. "Nossa abordagem é automatizada. É realmente a primeira desse tipo, ajudando a tornar os catalisadores mais fáceis de sintetizar e mais estáveis ​​durante as reações químicas. "

Josh Lansford, candidato a doutorado no laboratório de Vlachos e também co-autor do artigo, enfatizou que, enquanto os cálculos começam em pequena escala - quântica, neste caso, os resultados são tudo menos.

"É tudo uma questão de reestruturar a superfície do catalisador para diminuir a energia necessária para fazer a reação acontecer, "disse ele." Quanto mais ativo o site, quanto maior a corrente elétrica, o que leva a uma reação mais rápida e a uma célula de combustível mais poderosa. "

Os pesquisadores demonstraram a eficácia de sua nova metodologia usando um processo chamado reação de redução de oxigênio (ORR), que é freqüentemente usado para gerar energia em células de combustível para transporte. Como o oxigênio é abundante na atmosfera terrestre, ORR é um método ideal para produzir fontes de energia portáteis que não emitem dióxido de carbono (CO2).

Embora as células de combustível ainda não sejam economicamente viáveis ​​em grande escala, os autores disseram que esperam que seu avanço ajude a mudar isso, abrindo novos caminhos para uma produção de energia mais limpa e econômica.

"A visão de longo prazo para nossa metodologia é que ela será usada para projetar a estrutura catalisadora desejada em computadores, "Nunez disse." O catalisador seria então sintetizado e caracterizado em laboratório e usado em células de combustível, tendo um desempenho superior ao padrão industrial atual. Nossa abordagem nos leva em direção à viabilidade econômica de veículos com células de combustível limpas. "