Um ânodo de níquel revestido com carbono e dopado com nitrogênio pode catalisar uma reação essencial em células de combustível de hidrogênio por uma fração do custo dos metais preciosos atualmente usados, descobriram pesquisadores da Universidade de Cornell.
A nova descoberta pode acelerar o uso generalizado de células de combustível de hidrogênio, que são uma grande promessa como fontes de energia eficientes e limpas para veículos e outras aplicações.

É uma de uma série de descobertas do laboratório Héctor D. Abruña em sua busca contínua por catalisadores ativos, baratos e duráveis ​​para uso em células de combustível alcalinas.

"Esta descoberta faz progressos no sentido de usar células de combustível de hidrogênio eficientes e limpas no lugar de combustíveis fósseis", disse Abruña, professor Emile M. Chamot do Departamento de Química e Biologia Química da Faculdade de Artes e Ciências.

Os resultados foram publicados em 21 de março em "A Completely Precious-Metal-Free Alkaline Fuel Cell With Enhanced Performance Using a Carbon-Coated Nickel Anode", nos Proceedings of the National Academy of Sciences .

Metais preciosos caros, como a platina, são atualmente necessários em células de combustível de hidrogênio para catalisar eficientemente as reações que empregam para produzir eletricidade. Embora as células a combustível de membrana de eletrólito de polímero alcalino (APEMFCs) permitam o uso de eletrocatalisadores de metais não preciosos, elas não possuem o desempenho e a durabilidade necessários para substituir os sistemas baseados em metais preciosos.

Uma célula de combustível produz eletricidade através da reação de oxidação de hidrogênio (HOR) e uma reação de redução de oxigênio (OOR). A platina, em particular, é um catalisador modelo para ambas as reações porque as catalisa com eficiência e é durável no ambiente ácido de uma célula de combustível PEM, disse Abruña.

Mas e os outros materiais?

Experimentos recentes com eletrocatalisadores HOR de metais não preciosos visavam superar dois grandes desafios, escreveram os pesquisadores:baixa atividade intrínseca de uma energia de ligação de hidrogênio muito forte e baixa durabilidade devido à rápida passivação da formação de óxido metálico.

Para superar esses desafios, os pesquisadores projetaram um eletrocatalisador à base de níquel com um invólucro de 2 nanômetros feito de carbono dopado com nitrogênio.

Sua célula de combustível de hidrogênio tem um catalisador de ânodo (onde o hidrogênio é oxidado) que consiste em um núcleo sólido de níquel cercado pelo invólucro de carbono. Quando emparelhado com um cátodo de cobalto-manganês (onde o oxigênio é reduzido), a célula de combustível de hidrogênio livre de metais preciosos resultante produz mais de 200 miliwatts por centímetro quadrado.

A presença de espécies de óxido de níquel na superfície do eletrodo de níquel diminui drasticamente a reação de oxidação do hidrogênio, disse Abruña. O revestimento de carbono dopado com nitrogênio serve como camada de proteção e melhora a cinética do HOR, tornando a reação mais rápida e muito mais eficiente.

Além disso, a presença do revestimento de grafeno no eletrodo de níquel evita a formação de óxidos de níquel – resultando em eletrodos com vida útil dramaticamente aumentada. Esses eletrodos também são muito mais tolerantes ao monóxido de carbono, que envenena rapidamente a platina.

"O uso deste novo anodo reduziria drasticamente os preços, permitindo a aplicação de células de combustível alcalinas em uma ampla variedade de áreas", disse Abruña.

Os co-autores incluem Francis DiSalvo, o professor emérito de química John A. Newman; Yao Yang, Ph.D. '21; David Muller, Professor de Engenharia Samuel B. Eckert na Faculdade de Engenharia e codiretor do Instituto Kavli em Cornell para Ciência em Nanoescala, bem como colaboradores da Universidade de Wuhan no laboratório de Lin Zhuang e da Universidade de Wisconsin, Madison com Manos Mavrikakis.

Em fevereiro, Abruña e colegas, incluindo DiSalvo, descobriram que um catalisador de nitreto de cobalto é quase tão eficiente quanto a platina na catalisação da reação de redução de oxigênio. + Explorar mais

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