O alto custo dos catalisadores de platina usados ​​em células a combustível de hidrogênio limita a comercialização de veículos elétricos a células de combustível. Os cientistas estão estudando catalisadores alternativos para aumentar a relação custo-benefício e manter a eficiência das células a combustível de hidrogênio.

Os pesquisadores estão cada vez mais olhando para os sistemas de células de combustível de hidrogênio como fontes alternativas de energia para veículos e outras aplicações devido ao seu rápido tempo de reabastecimento, alta densidade de energia e ausência de emissões ou subprodutos prejudiciais.

Cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveram e estudaram recentemente catalisadores de células de combustível - produtos químicos que aceleram reações importantes das células de combustível - que não usam platina. A pesquisa fornece uma melhor compreensão dos mecanismos que tornam esses catalisadores eficazes, e os novos insights podem ajudar a informar a produção de catalisadores ainda mais eficientes e econômicos.

As células a combustível de hidrogênio disponíveis comercialmente dependem da reação de redução de oxigênio (ORR), que divide as moléculas de oxigênio em íons de oxigênio e os combina com prótons para formar água. A reação faz parte do processo geral da célula de combustível que converte hidrogênio e oxigênio do ar em água e eletricidade. O ORR é uma reação relativamente lenta, limitando a eficiência da célula de combustível e exigindo uma grande quantidade de catalisador de platina.

"Atualmente, a reação de redução de oxigênio é facilitada por catalisadores de liga de platina, que são os componentes mais caros dos eletrodos de célula de combustível, "disse Deborah Myers, um químico sênior e líder do grupo de Materiais de Célula de Hidrogênio e Combustível na divisão de Ciências Químicas e Engenharia (CSE) da Argonne. "Difundido, a comercialização sustentável de veículos elétricos com células de combustível requer uma redução dramática na quantidade de platina necessária ou a substituição de catalisadores de platina por aqueles feitos de terra abundante, materiais baratos como o ferro. "

O catalisador livre de platina mais promissor para uso no ORR é baseado em ferro, nitrogênio e carbono. Para produzir o catalisador, cientistas misturam precursores contendo os três elementos e os aquecem entre 900 e 1100 graus Celsius em um processo chamado pirólise.

Após a pirólise, os átomos de ferro no material são ligados com quatro átomos de nitrogênio e embutidos em um plano de grafeno, uma camada de carbono com a espessura de um átomo. Cada um dos átomos de ferro constitui um sítio ativo, ou um site no qual o ORR pode ocorrer. Uma maior densidade de sítios ativos no material torna o eletrodo mais eficiente.

"Os mecanismos pelos quais os sítios ativos são formados durante a pirólise ainda são muito misteriosos, "disse Myers." Observamos o processo em tempo real na escala atômica para obter compreensão e informar o projeto de catalisadores de melhor desempenho. "

Myers e colaboradores conduziram espectroscopia de absorção de raios-X in situ na Equipe de Acesso Colaborativo de Pesquisa de Materiais (MR-CAT) na Fonte Avançada de Fótons de Argonne (APS), um U.S. DOE Office of Science User Facility, para descobrir o comportamento do material na escala atômica durante a pirólise. Eles apontaram um feixe de raios-X através do ferro, precursores de nitrogênio e carbono e observados quais elementos se ligam quimicamente e como.

Os cientistas descobriram que durante a pirólise do ferro, mistura de nitrogênio e precursor de carbono, os sítios de nitrogênio-grafeno são formados primeiro, e então átomos de ferro gasoso se inserem nesses locais. Eles também descobriram que podem produzir uma densidade mais alta de sítios ativos no catalisador, inserindo nitrogênio no carbono primeiro, usando uma técnica chamada doping, e, em seguida, a introdução de ferro no sistema durante a pirólise, ao invés de aquecer todos os três componentes juntos.

Durante este processo, os cientistas colocam o carbono dopado com nitrogênio na fornalha, e átomos de ferro gasoso se inserem em espaços vazios no centro de grupos de quatro átomos de nitrogênio, formando sítios ativos. Esta abordagem evita o agrupamento e o enterro de átomos de ferro na maior parte do carbono, aumentando o número de sítios ativos na superfície do grafeno.

O estudo foi parte de um projeto maior financiado pelo DOE Fuel Cell Technologies Office, chamado Consórcio de Eletrocatálise (ElectroCat), voltado especificamente para impulsionar o desenvolvimento de catalisadores sem platina para células de combustível.

ElectroCat é liderado por Argonne e o Laboratório Nacional de Los Alamos do DOE e tem membros, incluindo o Laboratório Nacional de Energia Renovável do DOE e o Laboratório Nacional de Oak Ridge. Este estudo surgiu de uma colaboração entre ElectroCat e Northeastern University.

"Nossa missão como um dos principais membros do laboratório nacional da ElectroCat é não apenas desenvolver nossos próprios catalisadores no consórcio, mas para apoiar colaborações com universidades e indústria também, "disse Myers.

As conclusões deste estudo ajudam a fechar a lacuna de conhecimento entre os precursores de entrada e a estrutura resultante do catalisador após a pirólise. A descoberta fundamental dá aos cientistas uma via para aumentar a densidade do local ativo no material, e o grupo continuará a desenvolver catalisadores sem platina mais ativos e estáveis ​​para uso em células a combustível de hidrogênio.

Um artigo descrevendo os resultados do estudo, intitulado "Via de evolução de compostos de ferro para sítios de Fe1 (II) -N4 por meio de ferro em fase gasosa durante a pirólise, "foi publicado em 27 de dezembro, 2019, no Jornal da American Chemical Society .