p Uma equipe de pesquisa multi-institucional liderada por cientistas de materiais do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) projetou um catalisador altamente ativo e durável que não depende da dispendiosa platina para estimular a reação química necessária. p O novo catalisador contém cobalto intercalado com nitrogênio e carbono. Quando comparado a um catalisador de estrutura semelhante feito de ferro - outro promissor, substituto de platina bem estudado, a equipe descobriu que o catalisador de cobalto obteve uma reação semelhante, mas com durabilidade quatro vezes maior.

p A pesquisa da equipe, que se mostra promissor para células de combustível no transporte, foi publicado em 30 de novembro, Edição de 2020 de Catálise Natural .

p Procurando uma substituição para a cara platina

p Membrana de troca de prótons - ou PEM - células de combustível são normalmente concebidas para serem emparelhadas com hidrogênio para várias aplicações em diferentes setores, incluindo transporte, energia estacionária e reserva, fabricação de metais, e mais. São altamente eficientes, dispositivos de conversão de energia limpa requerem catalisadores muito ativos para a reação química - a reação de redução de oxigênio, ou a "força vital" que faz uma célula de combustível funcionar com eficiência.

p Os metais do grupo da platina servem como o material catalisador mais produtivo para células de combustível PEM, mas eles respondem por cerca de metade do custo da célula de combustível.

p Então, os cientistas estão estudando metais de transição, como o ferro, como uma alternativa promissora à platina, mas eles descobriram que eles se degradam rapidamente no ambiente ácido da célula de combustível PEM.

p Entre no cobalto, um metal de transição que é - em relação à platina - barato e abundante. Estudos anteriores mostraram que o cobalto é muito menos ativo do que os catalisadores à base de ferro.

p "Sabíamos que a configuração de cobalto com nitrogênio e carbono era a chave para a eficácia da reação do catalisador e que a densidade do local ativo era extremamente importante para o desempenho, "disse o cientista de materiais do PNNL Yuyan Shao, quem conduziu o estudo. "Nosso objetivo era realmente melhorar a atividade de reação dos catalisadores à base de cobalto."

p Esgrima nos átomos

p A equipe imobilizou moléculas à base de cobalto nos microporos das estruturas de imidazolato zeolítico, que serviam como cercas protetoras para diminuir a mobilidade dos átomos de cobalto e evitar que eles se agrupassem. Eles então usaram a pirólise de alta temperatura para converter os átomos em sítios cataliticamente ativos dentro da estrutura.

p Dentro desta estrutura, eles descobriram que a densidade dos sites ativos aumentou significativamente, por sua vez, aumentando a atividade de reação. Esse, na verdade, alcançou a maior atividade em células de combustível relatada para não-ferro, catalisadores isentos de metal do grupo da platina até à data.

p A equipe também descobriu que o catalisador à base de cobalto é muito mais durável do que o catalisador à base de ferro sintetizado usando a mesma abordagem. Eles descobriram, pela primeira vez, diferenças significativas na desmetalação, onde os íons metálicos são lixiviados do catalisador e esse catalisador perde atividade. Eles também descobriram que os radicais de oxigênio do peróxido de hidrogênio, um subproduto da redução de oxigênio nas células de combustível, atacar os catalisadores e causar perda de desempenho.

p Alta atividade, maior durabilidade

p "No fim, fomos capazes de não apenas melhorar a atividade do catalisador à base de cobalto, mas melhoramos significativamente a durabilidade, "disse Shao." Nossas investigações adicionais nos levaram a descobrir os mecanismos que normalmente degradam esses tipos de catalisadores. "