Filmes de platina com apenas dois átomos de espessura suportados por grafeno poderiam permitir catalisadores de células de combustível com atividade catalítica e longevidade sem precedentes, de acordo com um estudo publicado recentemente por pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia.

A platina é um dos catalisadores mais comumente usados ​​para células de combustível devido à eficácia com que permite a reação de redução de oxidação no centro da tecnologia. Mas seu alto custo estimulou esforços de pesquisa para encontrar maneiras de usar quantidades menores dele, mantendo a mesma atividade catalítica.

"Sempre haverá um custo inicial para a produção de uma célula de combustível com catalisadores de platina, e é importante manter esse custo o mais baixo possível, "disse Faisal Alamgir, professor associado da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da Georgia Tech. "Mas o custo real de um sistema de célula de combustível é calculado pela duração desse sistema, e isso é uma questão de durabilidade.

"Recentemente, houve um impulso para usar sistemas catalíticos sem platina, mas o problema é que não houve um sistema proposto até agora que corresponda simultaneamente à atividade catalítica e à durabilidade da platina, "Alamgir disse.

Os pesquisadores da Georgia Tech tentaram uma estratégia diferente. No estudo, que foi publicado em 18 de setembro na revista Materiais Funcionais Avançados e apoiado pela National Science Foundation, eles descrevem a criação de vários sistemas que usaram filmes atomicamente finos de platina apoiados por uma camada de grafeno - maximizando efetivamente a área de superfície total da platina disponível para reações catalíticas e usando uma quantidade muito menor do metal precioso.

A maioria dos sistemas catalíticos à base de platina usa nanopartículas do metal quimicamente ligadas a uma superfície de suporte, onde os átomos da superfície das partículas fazem a maior parte do trabalho catalítico, e o potencial catalítico dos átomos abaixo da superfície nunca é utilizado tão completamente quanto os átomos da superfície, se em tudo.

Adicionalmente, os pesquisadores mostraram que os novos filmes de platina com pelo menos dois átomos de espessura superaram as nanopartículas de platina na energia de dissociação, que é uma medida do custo de energia para desalojar um átomo de platina da superfície. Essa medição sugere que esses filmes podem fazer sistemas catalíticos potencialmente mais duradouros.

Para preparar os filmes atomicamente finos, os pesquisadores usaram um processo chamado deposição de camada atômica eletroquímica para fazer crescer monocamadas de platina em uma camada de grafeno, criando amostras que tinham um, duas ou três camadas atômicas de átomos. Os pesquisadores então testaram as amostras para energia de dissociação e compararam os resultados com a energia de um único átomo de platina no grafeno, bem como a energia de configurações comuns de nanopartículas de platina usadas em catalisadores.

"A questão fundamental no cerne deste trabalho era se era possível que uma combinação de ligações metálicas e covalentes pudesse tornar os átomos de platina em uma combinação de platina-grafeno mais estáveis ​​do que suas contrapartes em platina a granel usada comumente em catalisadores que são suportados por ligação metálica, "disse Seung Soon Jang, professor associado da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais.

Os pesquisadores descobriram que a ligação entre os átomos de platina vizinhos no filme essencialmente combina forças com a ligação entre o filme e a camada de grafeno para fornecer reforço em todo o sistema. Isso era especialmente verdadeiro no filme de platina que tinha dois átomos de espessura.

"Normalmente, os filmes metálicos abaixo de uma certa espessura não são estáveis ​​porque as ligações entre eles não são direcionais, e eles tendem a rolar um sobre o outro e se conglomerar para formar uma partícula, "Alamgir disse." Mas isso não é verdade com o grafeno, que é estável em uma forma bidimensional, até mesmo um átomo de espessura, porque tem ligações direcionais covalentes muito fortes entre seus átomos vizinhos. Portanto, este novo sistema catalítico poderia alavancar a ligação direcional do grafeno para suportar uma película atomicamente fina de platina. "

Pesquisas futuras envolverão testes adicionais de como os filmes se comportam em um ambiente catalítico. The researchers found in earlier research on graphene-platinum films that the material behaves similarly in catalytic reactions regardless of which side—graphene or platinum—is the exposed active surface.

"In this configuration, the graphene is not acting as a separate entity from the platinum, " Alamgir said. "They're working together as one. So we believe that if you're exposing the graphene side, you get the same catalytic activity and you could further protect the platinum, potentially further enhancing durability."