Células de combustível e eletrolisadores de água que são baratos e eficientes formarão a pedra angular de uma economia baseada no combustível de hidrogênio, que é uma das alternativas limpas e sustentáveis ​​mais promissoras aos combustíveis fósseis. Esses dispositivos dependem de materiais chamados eletrocatalisadores para funcionar, portanto, o desenvolvimento de catalisadores eficientes e de baixo custo é essencial para tornar o hidrogênio combustível uma alternativa viável. Pesquisadores da Universidade Aalto desenvolveram um novo material catalisador para aprimorar essas tecnologias.

A reação de redução de oxigênio (ORR) e a reação de evolução de oxigênio (OER) são as reações eletroquímicas mais importantes que limitam a eficiência das células a combustível de hidrogênio (para alimentar veículos e geração de energia), eletrolisadores de água (para produção limpa de hidrogênio), e baterias de metal-ar de alta capacidade. Físicos e químicos da Aalto colaborando com pesquisadores do CNRS França, e Viena, na Áustria, desenvolveram um novo catalisador que conduz essas reações de forma mais eficiente do que outros catalisadores bifuncionais atualmente disponíveis. Os pesquisadores também descobriram que a atividade eletrocatalítica de seu novo catalisador pode ser significativamente alterada, dependendo da escolha do material em que o catalisador foi depositado.

"Queremos substituir os catalisadores tradicionais caros e escassos à base de metais preciosos como platina e irídio por alternativas altamente ativas e estáveis ​​compostas de elementos baratos e abundantes em terra, como metais de transição, carbono e nitrogênio ", diz o Dr. Mohammad Tavakkoli, o pesquisador da Aalto que liderou o trabalho e redigiu o artigo.

Em colaboração com o CNRS, a equipe produziu um híbrido de nanotubo de carbono-grafeno altamente poroso e dopou-o com átomos individuais de outros elementos conhecidos por fazer bons catalisadores. O grafeno e o nanotubo de carbono (CNT) são os alótropos de carbono de duas dimensões e unidimensionais com um átomo de espessura, respectivamente, que atraíram um tremendo interesse na academia e na indústria devido às suas excelentes propriedades em comparação com os materiais mais tradicionais. Eles desenvolveram um método fácil e escalonável para cultivar esses nanomateriais ao mesmo tempo, combinando suas propriedades em um único produto. "Somos uma das equipes líderes no mundo para a síntese escalonável de nanotubos de carbono de parede dupla. A inovação aqui foi modificar nosso processo de fabricação para preparar essas amostras exclusivas, "disse o Dr. Emmanuel Flahut, diretor de pesquisas do CNRS.

Neste processo de uma etapa, eles também poderiam dopar o grafeno com átomos únicos de nitrogênio e / ou metálicos (cobalto e molibdênio) como uma estratégia promissora para produzir catalisadores de átomo único (SACs). Na ciência da catálise, o novo campo de SACs com átomos de metal isolados dispersos em suportes sólidos atraiu ampla atenção de pesquisa por causa da eficiência máxima de utilização de átomos e as propriedades exclusivas dos SACs. Comparado com estratégias rivais para fazer SACs, o método usado pela equipe Aalto &CNRS fornece um método fácil que ocorre em uma etapa, mantendo os custos baixos.

O substrato do catalisador pode aumentar o desempenho

Os catalisadores são geralmente depositados em um substrato subjacente. O papel que este substrato desempenha na reatividade final do catalisador é geralmente negligenciado pelos pesquisadores, no entanto, para este novo catalisador, os pesquisadores descobriram que o substrato desempenhou um papel importante em sua eficiência. A equipe descobriu que a estrutura porosa de seu material permite acessar locais de catalisador mais ativos formados em sua interface com o substrato, então, eles desenvolveram um novo método de análise de microscopia eletroquímica para medir como essa interface poderia contribuir para catalisar a reação e produzir o catalisador mais eficaz. Eles esperam que seu estudo dos efeitos do substrato na atividade catalítica de materiais porosos estabeleça uma base para o projeto racional de eletrodos de alto desempenho para dispositivos de energia eletroquímica e forneça diretrizes para estudos futuros.