p Os veículos movidos por células de combustível de membrana de eletrólito de polímero (PEMFCs) são energeticamente eficientes e ecológicos, mas apesar do crescente interesse público no transporte movido a PEMFC, o desempenho atual dos materiais usados ​​nas células de combustível limita sua ampla comercialização. p Cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) lideraram uma equipe para investigar reações em PEMFCs, e suas descobertas informaram a criação de tecnologia que poderia trazer as células de combustível um passo mais perto de realizar todo o seu potencial de mercado.

p PEMFCs dependem de hidrogênio como combustível, que é oxidado no lado do ânodo da célula por meio de uma reação de oxidação de hidrogênio, enquanto o oxigênio do ar é usado para uma reação de redução de oxigênio (ORR) no cátodo. Por meio desses processos, células de combustível produzem eletricidade para alimentar motores elétricos em veículos e outras aplicações, emitindo água como único subproduto.

p Baseado em platina, nanopartículas são os materiais mais eficazes para promover reações em células de combustível, incluindo a ORR no cátodo. Contudo, além de seu alto custo, nanopartículas de platina sofrem degradação gradual, especialmente no cátodo, que limita o desempenho catalítico e reduz a vida útil da célula de combustível.

p A equipe de pesquisa, que incluiu o Oak Ridge National Laboratory do DOE e vários parceiros universitários, usou uma nova abordagem para examinar os processos de dissolução da platina nos níveis atômico e molecular. A investigação permitiu que eles identificassem o mecanismo de degradação durante a ORR catódica, e os insights guiaram o projeto de um nanocatalisador que usa ouro para eliminar a dissolução da platina.

p "A dissolução da platina ocorre em escala atômica e molecular durante a exposição ao ambiente altamente corrosivo nas células de combustível, "disse Vojislav Stamenkovic, um cientista sênior e líder de grupo para o grupo de Conversão e Armazenamento de Energia na Divisão de Ciência de Materiais da Argonne (MSD). “Esta degradação do material afeta as operações de longo prazo da célula de combustível, apresentando um obstáculo para a implementação de células de combustível no transporte, especificamente em aplicações pesadas, como caminhões de longo curso. "

p Começando pequeno

p Os cientistas usaram uma gama de ferramentas de caracterização personalizadas para investigar a dissolução de estruturas de platina bem definidas em superfícies de cristal único, filmes finos e nanopartículas.

p "Desenvolvemos capacidades para observar processos em escala atômica para entender os mecanismos responsáveis ​​pela dissolução e para identificar as condições em que ela ocorre, "disse Pietro Papa Lopes, um cientista no MSD de Argonne e primeiro autor do estudo. "Então, implementamos esse conhecimento no design de materiais para mitigar a dissolução e aumentar a durabilidade."

p A equipe estudou a natureza da dissolução no nível fundamental usando ferramentas específicas de superfície, métodos eletroquímicos, espectrometria de massa com Plasma indutivamente acoplado, modelagem computacional e força atômica, tunelamento de varredura e microscopias de transmissão de alta resolução.

p Além disso, os cientistas confiaram em uma abordagem de síntese de alta precisão para criar estruturas com propriedades físicas e químicas bem definidas, garantindo que as relações entre estrutura e estabilidade descobertas a partir do estudo de superfícies 2-D fossem transportadas para as nanopartículas 3-D que eles produziram.

p "Realizamos esses estudos - de cristais únicos, para filmes finos, às nanopartículas, que nos mostraram como sintetizar catalisadores de platina para aumentar a durabilidade, "disse Lopes, "e olhando para esses materiais diferentes, também identificamos estratégias para usar ouro para proteger a platina. "

p Indo para o ouro

p Conforme os cientistas descobriram a natureza fundamental da dissolução, observando sua ocorrência em vários cenários de teste, a equipe utilizou o conhecimento para mitigar a dissolução com a adição de ouro.

p Os pesquisadores usaram recursos de microscopia eletrônica de transmissão no Centro de Materiais em Nanoescala de Argonne e no Centro de Ciências de Materiais em Nanofase do Laboratório Nacional Oak Ridge - ambos DOE Office of Science User Facilities - para obter imagens de nanopartículas de platina após a síntese e antes e após a operação. Essa técnica permitiu aos cientistas comparar a estabilidade das nanopartículas com e sem ouro incorporado.

p A equipe descobriu que a colocação controlada de ouro no núcleo promove o arranjo da platina em uma estrutura de superfície ideal que garante alta estabilidade. Além disso, ouro foi seletivamente depositado na superfície para proteger locais específicos que a equipe identificou como particularmente vulneráveis ​​à dissolução. Essa estratégia elimina a dissolução da platina até mesmo das menores nanopartículas usadas neste estudo, mantendo os átomos de platina presos aos locais onde eles ainda podem catalisar eficazmente o ORR.

p Compreensão de nível atômico

p Compreender os mecanismos por trás da dissolução no nível atômico é essencial para descobrir a correlação entre a perda de platina, estrutura da superfície e tamanho e proporção de nanopartículas de platina, e determinar como esses relacionamentos afetam a operação de longo prazo.

p "A parte nova desta pesquisa é resolver os mecanismos e mitigar totalmente a dissolução da platina por meio do material design em diferentes escalas, de cristais únicos e filmes finos a nanopartículas, "disse Stamenkovic." São as percepções que obtivemos em conjunto com o design e a síntese de um nanomaterial que aborda as questões de durabilidade em células de combustível, bem como a capacidade de delinear e quantificar a dissolução do catalisador de platina de outros processos que contribuem para o declínio do desempenho da célula de combustível. "

p A equipe também está desenvolvendo um algoritmo de envelhecimento preditivo para avaliar a durabilidade a longo prazo das nanopartículas à base de platina e encontrou uma melhoria de 30 vezes na durabilidade em comparação com as nanopartículas sem ouro.

p Um artigo sobre o estudo, intitulado "Eliminando a dissolução de eletrocatalisadores à base de platina em escala atômica, "Foi publicado em 20 de julho em Materiais da Natureza .