As células de combustível de hidrogênio são muito promissoras como fontes de energia sustentáveis ​​e ecológicas para alimentar o transporte por terra, ar e mar. Mas os catalisadores tradicionais usados ​​para conduzir reações químicas em células de combustível de hidrogênio são muito caros e ineficientes para justificar uma mudança comercial em larga escala das tecnologias existentes.
Em nova pesquisa interdisciplinar publicada em ACS Catalysis , cientistas do Nordeste identificaram uma nova classe de catalisadores que, devido à sua natureza particular de não metais nobres, poderia substituir o padrão baseado em platina que impediu o avanço do hidrogênio no setor de combustíveis.

“Estamos migrando rapidamente para os modos de transporte elétricos e, a meu ver, as baterias são apenas uma fase de transição”, diz Sanjeev Mukerjee, um distinto professor de química e biologia química da Northeastern, coautor do estudo. "Não é a resposta definitiva para substituir os combustíveis fósseis."

É no hidrogênio, ou "portadores de hidrogênio" - moléculas maiores nas quais o hidrogênio é apenas uma parte - que a resposta está, diz ele. O elemento mais abundante no universo, o hidrogênio atua como transportador de energia e pode ser separado da água, combustíveis fósseis ou biomassa e aproveitado como combustível. As células de combustível de hidrogênio convertem hidrogênio em eletricidade; e ao contrário do motor de combustão interna, que produz subprodutos químicos tóxicos e cancerígenos, as células de combustível de hidrogênio só produzem água – água potável – como resultado da reação química.

“O maior gargalo agora é um:infraestrutura para o combustível, ou seja, hidrogênio ou um transportador de hidrogênio; e o número dois é o alto custo dos catalisadores, porque o estado da arte atual exige metais nobres”, diz Mukerjee . “Portanto, há esforços duplos para diminuir a carga de metais nobres e encontrar catalisadores mais sustentáveis ​​usando elementos que são muito abundantes na Terra”.

Catalisadores são usados ​​em células de combustível de hidrogênio para acelerar o processo de conversão de energia, chamado de reação de redução de oxigênio. Um catalisador sustentável é aquele que é feito de "materiais abundantes em terra" e aquele que, quando o oxigênio é introduzido na reação química, não produz carbono, diz Arun Bansil, ilustre professor universitário de física do Nordeste e coautor do livro estudar.

No que diz respeito, pesquisadores do Nordeste estão analisando uma classe específica de catalisadores, os chamados "catalisadores de ferro coordenados por nitrogênio", como candidatos potencialmente sustentáveis. Um catalisador de ferro coordenado por nitrogênio é definido molecularmente como um átomo de ferro cercado por quatro átomos de nitrogênio. Os átomos de nitrogênio são chamados de "ligantes", ou moléculas que se ligam a um átomo central de metal para formar um complexo maior.

"Esta é uma estrutura bem conhecida", diz Bansil. "O que mostramos de forma muito conclusiva neste artigo é que, ao adicionar um quinto ligante - ou seja, quatro nitrogênios mais outro - que pode levar a um eletrocatalisador muito mais estável e robusto, abrindo assim um novo paradigma ou caminho para o projeto desta classe de catalisadores para aplicações em células de combustível."

Bansil diz que o quinto ligante também melhora a durabilidade do catalisador. A razão, diz ele, é que "parece que esse quinto ligante consegue manter o ferro no plano do ferro-nitrogênio quando o oxigênio é adicionado a essa estrutura".

Se o quinto ligante não estiver lá, diz Bansil, o ferro é desalojado do plano do ferro-nitrogênio em muitos desses complexos quando o oxigênio é colocado, tornando o catalisador "menos durável".

Researchers used X-ray emission spectroscopy and Mössbauer spectroscopy, techniques used in computational chemistry, to observe these effects.

"It's not enough to just know that something seems to be working better—it's important to know why it is working better," he says. "Because then we are in a position to develop improved materials through a rational design process."

Northeastern staff scientist Qingying Jia and Bernardo Barbiellini, a computational and theoretical physicist at the Lappeenranta University of Technology, who is currently visiting Northeastern, participated in the research.

The advancement represents several "firsts" in the field, Mukerjee says.

"The computational approach has helped us identify the catalytic sites as they evolve during preparation, and it also helped provide a picture of which of these [catalysts] are more stable," he says. + Explorar mais

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