As células a combustível, devido à sua alta eficiência e atributos ecologicamente corretos no processo de geração de eletricidade, estão ganhando popularidade para a produção de Veículos a Célula a Combustível (FCV), como automóveis, empilhadeiras, ônibus e aviões. No entanto, a natureza cara da produção de catalisadores de células de combustível impede a produção em massa e a aplicação em larga escala de FCVs.
Os catalisadores de células de combustível são geralmente feitos de platina (Pt) ou ligas de Pt com metais de transição finamente revestidos nos suportes de carbono porosos. A platina é um material catalítico ideal, pois pode suportar as condições ácidas e aumentar a taxa de reações químicas de forma eficiente. No entanto, é caro e tem reservas de recursos insuficientes. Portanto, é imperativo desenvolver e selecionar novos catalisadores com baixa quantidade de Pt e alta atividade catalítica para comercialização de células a combustível.

Em uma ciência No artigo publicado em 22 de outubro, pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) da Academia Chinesa de Ciências (CAS) relataram um método de ancoragem de enxofre de nanopartículas intermetálicas de Pt de tamanho pequeno sintetizadas com sucesso (i -NP) com carga ultrabaixa de Pt e alta atividade de massa. Eles também estabeleceram bibliotecas de i-NP, incluindo 46 tipos de nanopartículas de Pt (NPs) para rastrear materiais de eletrodos baratos e duráveis, bem como explorar sistematicamente as relações estrutura-atividade de i-NPs.

Os I-NPs têm atraído grande atenção por causa de suas propriedades únicas ordenadas atomicamente e excelente desempenho catalítico em muitas reações químicas. No entanto, a inevitável sinterização do metal em alta temperatura é indesejada durante a síntese de i-NPs, pois levará a cristalitos maiores. Assim, resulta em uma área superficial específica diminuída e atividades catalíticas mais baixas dos materiais e, eventualmente, reduz a taxa de utilização de Pt, aumentando muito o custo das células a combustível.

A equipe de pesquisa, liderada por Liang Haiwei, engenhosamente utilizou forte interação química Pt-enxofre. Eles prepararam intermetálicos de Pt em suportes de carbono dopado com enxofre (S-C) para suprimir a sinterização de NPs em altas temperaturas e foram capazes de obter i-NPs atomicamente ordenadas com um tamanho médio de <5 nm. Os suportes S-C mostraram excelente capacidade anti-sinterização, e os pesquisadores obtiveram NPs de Pt com o diâmetro médio ainda <5 nm após recozimento em altas temperaturas de até 1000 C. No entanto, sinterização severa de Pt foi observada após o mesmo processo de recozimento em suportes comerciais de negro de fumo.

Para aproveitar a propriedade anti-sinterização, os pesquisadores sintetizaram 46 tipos de i-NPs baseados em Pt de pequeno porte em suportes S-C e estabeleceram bibliotecas i-NP. As caracterizações espectrais foram medidas, e os resultados verificaram as fortes interações químicas das ligações Pt-S. Além disso, os resultados de difração de raios X (XRD) mostraram um alto grau de ordenação e pequeno tamanho de catalisadores i-NP em bibliotecas, consistente com a análise estatística da microscopia eletrônica de transmissão de varredura de campo escuro anular de alto ângulo (HAADF-STEM) observações.

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“Com base nas bibliotecas i-NP, podemos estudar sistematicamente a relação entre estrutura e desempenho dos catalisadores”, disse Liang, “e amostras suficientes nos ajudaram a selecionar catalisadores eficientes que deveriam diminuir amplamente o custo das células de combustível”. Os pesquisadores selecionaram i-NPs e os aplicaram para células de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFCs). Esses catalisadores exibiram excelente desempenho eletrocatalítico para a reação de redução de oxigênio (ORR). Especialmente em H₂ -air PEMFC, embora a carga de Pt de i-NPs tenha sido 11,5 vezes menor que a do cátodo de Pt/C, os cátodos dos catalisadores de i-NP mostraram capacidade semelhante ao cátodo de Pt/C.

Este trabalho fornece um caminho universal para a síntese de catalisadores de liga de Pt utilizados em células a combustível de hidrogênio. Este método aumenta as esperanças de reduzir a quantidade de Pt utilizada, diminuindo assim o custo das células de combustível. "Ao projetar as estruturas porosas e as funcionalidades da superfície dos suportes de carbono, a eficiência das células de combustível pode ser melhorada, acelerando assim sua transferência do laboratório para o público", disse Liang.