Os pesquisadores usaram plasma para criar novos catalisadores que são muito mais baratos e quase tão eficazes quanto o padrão, versões do grupo da platina. Crédito:Princeton University
Como qualquer pessoa que comprou joias pode atestar, a platina é cara. Isso é difícil para os consumidores, mas também um sério obstáculo para uma fonte promissora de eletricidade para veículos:a célula de combustível de hidrogênio, que depende da platina.
Agora uma equipe de pesquisa liderada por Bruce E. Koel, professor de engenharia biológica e química na Universidade de Princeton, abriu uma porta para encontrar alternativas muito mais baratas. Em artigo publicado em 4 de abril na revista Nature Communications , os pesquisadores relataram que um composto químico à base de háfnio funcionou cerca de 60 por cento tão eficazmente quanto os materiais relacionados à platina, mas a cerca de um quinto do custo.
"Esperamos encontrar algo mais abundante e barato para catalisar reações, "disse Xiaofang Yang, cientista principal da HiT Nano Inc. e colaborador visitante em Princeton que está trabalhando com Koel no projeto.
As células de combustível funcionam convertendo a energia armazenada nos átomos de hidrogênio diretamente em eletricidade. A NASA há muito usa células de combustível para alimentar satélites e outras missões espaciais. Hoje, eles estão começando a ser usados para carros elétricos e ônibus.
O hidrogênio é o elemento mais simples e abundante não apenas neste planeta, mas também no universo conhecido.
No nível mais básico, as células de combustível produzem eletricidade dividindo o hidrogênio em seus dois componentes, um próton e um elétron. Os prótons fluem através de uma membrana e se combinam com o oxigênio para formar água. Os elétrons carregados negativamente fluem em direção a um pólo carregado positivamente na célula de combustível. Este fluxo de elétrons é a corrente que a célula a combustível gera, que podem alimentar motores ou outros dispositivos elétricos. Essa divisão requer um material como a platina para catalisar a reação.
Os catalisadores também são usados em reações que criam o gás hidrogênio que serve como combustível para a célula de combustível. No mais desejável, caso independente de combustível fóssil, a energia elétrica renovável pode ser usada para dividir as moléculas de água (dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio) na presença de um catalisador. A reação divide a água em gases oxigênio e hidrogênio. Quanto mais eficiente for o catalisador, menos energia é necessária para dividir a água.
Algumas células de combustível avançadas, chamadas células de combustível regenerativas, combinar ambas as reações. Mas a maioria das células a combustível atuais depende do hidrogênio criado por sistemas separados e vendido como combustível.
Os pesquisadores de Princeton desenvolveram um método para criar catalisadores de baixo custo para células de combustível e produção de hidrogênio. Da esquerda, a equipe de pesquisa incluiu Bruce Koel, professor de engenharia química e biológica; e co-pesquisadores Xiaofang Yang, um pesquisador visitante; Fang Zhao, um pesquisador de pós-doutorado; e Nan Yao, pesquisador sênior e diretor do Imaging and Analysis Center do instituto de materiais de Princeton. Foto de Frank Wojciechowski
Agora mesmo, os melhores catalisadores para ambas as reações são os metais do grupo da platina. Os pesquisadores não acham que isso vai mudar porque "a platina é quase perfeita, "Koel disse. Com metais do grupo da platina, as reações eletroquímicas para extrair o hidrogênio são rápidas e eficientes, além disso, os metais podem resistir às duras condições ácidas atualmente necessárias para tais reações.
O problema, no entanto, é que a platina é rara e cara. "Você não pode imaginar substituir a infraestrutura de transporte por células de combustível baseadas em platina, "Koel disse." É muito raro e muito caro para usar nessa escala. "
Para tais aplicações, a perfeição da platina pode não ser necessária. Um substituto bom o suficiente, os pesquisadores descobriram, é o oxihidróxido de háfnio que foi tratado com um plasma de nitrogênio (o plasma é um gás ionizado e é um estado da matéria encontrado em luzes fluorescentes e no sol) para incorporar átomos de nitrogênio ao material.
Anteriormente, muitos materiais foram negligenciados para aplicações eletroquímicas porque não são condutores. Contudo, os pesquisadores descobriram que o processamento do óxido de háfnio com o plasma de nitrogênio forma uma película fina de material que funciona como um catalisador altamente ativo que também sobrevive em condições de ácido forte.
Embora este filme à base de háfnio seja apenas cerca de dois terços tão eficaz quanto a platina, o háfnio é muito mais barato do que a platina. Os pesquisadores planejam testar o zircônio, que é ainda mais barato, próximo.
Embora possam ser úteis em células de combustível, Yang e Koel acreditam que esses tipos de materiais podem ser mais valiosos em sistemas que implantam um catalisador para dividir eletroquimicamente a água para produzir hidrogênio para uso como combustível.
"A economia renovável do futuro depende muito de como podemos dividir a água de forma eficiente para gerar hidrogênio, "Yang disse." Esta etapa é muito importante.
Mas Yang e Koel enfatizam que sua descoberta não vai levar a uma onda de novas tecnologias acessíveis ainda - ou mesmo no futuro próximo. Agora mesmo, o procedimento para criar o material é complexo e restrito ao laboratório. Embora tenham confirmado o desempenho do filme, é preciso sempre considerar a engenharia necessária para torná-lo praticamente em grande escala. Em vez de, esta descoberta está abrindo a porta para uma maior exploração de materiais que podem substituir a platina.
"Ainda não entendemos por que este material em particular é tão especial, mas estamos confiantes sobre as propriedades que medimos, "Koel disse." O material é complicado, portanto, temos muito trabalho a fazer. "
