As células a combustível de membrana de troca de prótons (PEM) são uma tecnologia de armazenamento de energia que ajudará a reduzir o impacto ambiental do transporte. Essas células a combustível utilizam uma reação química conhecida como redução do oxigênio. Esta reação precisa de um catalisador de baixo custo para aplicações comerciais generalizadas. O carbono dopado com nitrogênio é um desses catalisadores, mas os detalhes químicos de como funciona a dopagem com nitrogênio são bastante controversos. Esse conhecimento é importante para melhorar a função das células de combustível PEM em tecnologias futuras.

Em um estudo publicado recentemente em Angewandte Chemie Edição Internacional, pesquisadores da Universidade de Tsukuba relataram detalhes químicos para otimizar a reação de redução de oxigênio nas células a combustível PEM em condições ácidas. Essa configuração ajuda o catalisador de carbono a adsorver oxigênio de uma forma que permite que a célula de combustível funcione.

O nitrogênio pode adotar várias configurações de ligação, como piridínico, em catalisadores de carbono dopados com nitrogênio. Por anos, pesquisadores tentaram determinar quais configurações de ligação são a fonte de atividade eletrolítica nas células a combustível PEM. Os resultados de tais estudos podem não ser claros, a menos que os mecanismos de reação sejam esclarecidos com ligação controlada e orientação cristalográfica do átomo de nitrogênio nos catalisadores.

"Depositamos sete moléculas de nitrogênio em um catalisador de negro de fumo paracristalino para fazer catalisadores modelo com estruturas homogêneas, "diz o autor principal, Professor Kotaro Takeyasu." Descobrimos que 1, 10-fenantrolina, com dois átomos de nitrogênio piridínico nas bordas da poltrona do catalisador, teve a maior atividade com referência à densidade de corrente. "

O ácido sulfúrico acidificou totalmente os átomos de nitrogênio no catalisador. Ao aplicar uma voltagem apropriada sob condições saturadas de oxigênio, os átomos de nitrogênio protonados no catalisador foram reduzidos. Isso foi atribuível à adsorção simultânea de oxigênio, porque não houve redução nas condições de saturação de nitrogênio.

"Os cálculos da teoria funcional da densidade também indicam que a adsorção de oxigênio promove a redução de átomos de nitrogênio totalmente protonados, "explica o autor sênior, Professor Junji Nakamura. "Assim, o oxigênio é absorvido pelo catalisador e, ao mesmo tempo, os átomos de nitrogênio são reduzidos para ciclos catalíticos adicionais. "

As células de combustível PEM atuais usam catalisadores de platina. Como a platina é um metal raro, não é uma opção realista para aplicações comerciais a longo prazo. Assim, os catalisadores de platina não permitirão que as células de combustível PEM contribuam para uma economia de baixo carbono. As descobertas descritas aqui ajudarão os pesquisadores a melhorar o desempenho dos catalisadores à base de carbono para células a combustível PEM e a melhorar a sustentabilidade do transporte.