Pesquisadores investigam a extração superficial de catalisadores de platina em meio alcalino
Modificação interfacial usando cátions hidrofílicos/hidrofóbicos para controlar a atividade eletroquímica e a estabilidade do eletrodo de platina. Crédito:Masashi Nakamura da Universidade de Chiba Eletrodos de platina (Pt) são cruciais para tecnologias de energia limpa, como células de combustível de hidrogênio e eletrólise. Contudo, a oxidação superficial que ocorre durante tais processos degrada o desempenho e a estabilidade do catalisador.
Para resolver isso, os pesquisadores investigaram os mecanismos de oxidação superficial na superfície de Pt em meio alcalino, uma via de pesquisa até então inexplorada. As suas experiências revelaram conhecimentos cruciais que podem ajudar no desenvolvimento de catalisadores da próxima geração, abrindo caminho para uma sociedade neutra em carbono. As descobertas foram publicadas no Journal of the American Chemical Society .
A busca pela neutralidade carbónica impulsiona a exploração de fontes de energia limpa, com as células de combustível de hidrogénio a emergirem como um caminho promissor. Nessas células, o hidrogênio sofre uma reação eletroquímica com o oxigênio para produzir eletricidade e água. Além disso, o inverso deste processo, chamado eletrólise, pode ser usado para dividir a água abundantemente disponível para produzir hidrogênio e oxigênio.
Estas duas tecnologias podem funcionar em conjunto para fornecer uma fonte de energia limpa e renovável. Um elemento central nessas duas tecnologias é o eletrodo de platina (Pt).
As células a combustível de hidrogênio consistem em dois eletrodos:um ânodo e um cátodo, com um eletrólito entre eles. Pt serve como um catalisador fundamental em células de combustível de baixa temperatura, como células de combustível alcalinas e células de combustível de eletrólito polimérico (PEFCs). A Pt possui alta atividade para a reação de redução de oxigênio (ORR), que é crucial para células a combustível, em condições alcalinas e ácidas na tensão de operação dos cátodos PEFC.
No entanto, isto também leva à formação de óxido na superfície, o que torna áspera e dissolve a camada de Pt, degradando em última análise os cátodos e afetando o desempenho e a estabilidade. Compreender os mecanismos de formação de óxido superficial é, portanto, crucial para o desenvolvimento de catalisadores catódicos de Pt que funcionem bem em condições alcalinas.
Estudos demonstraram que a formação de óxido na superfície da Pt depende do potencial do eletrodo, do eletrólito e da dupla camada elétrica (EDL). Embora estudos tenham investigado a formação e redução de óxidos na superfície da Pt em meio ácido, poucos deles abordaram o mesmo em meio alcalino, presente em células a combustível e eletrolisadores com membranas de troca aniônica.
Para colmatar esta lacuna, uma equipa de investigadores liderada pelo Professor Masashi Nakamura da Escola de Pós-Graduação em Engenharia da Universidade de Chiba, no Japão, investigou profundamente os mecanismos de formação de óxidos em superfícies de Pt em meios alcalinos.
"Em um estudo anterior, relatamos que íons hidrofóbicos interfaciais com cadeias alquílicas longas podem aumentar a ORR. Isso sugere que é possível construir um campo de reação interfacial que não apenas ative a ORR, mas também melhore a durabilidade dos eletrodos de Pt usando interface ideal íons", explica o Prof. Nakamura.
O estudo também incluiu contribuições do Dr. Tomoaki Kumeda e do professor Nagahiro Hoshi, ambos da Escola de Pós-Graduação em Engenharia da Universidade de Chiba, juntamente com o Dr.
A equipe investigou a formação de óxido na superfície de Pt (111) em soluções aquosas alcalinas contendo diferentes cátions, nomeadamente cátion lítio (Li
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), Potássio (K
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) cátion e cátion tetrametilamônio (TMA
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), usando métodos avançados como espalhamento de haste de truncamento de cristal de raios X (CTR), espectroscopia Raman de superfície aprimorada baseada em nanopartículas de ouro (GNP-SERS) e espectroscopia de absorção de reflexão infravermelha (IRAS).
“Estudos mostraram que uma combinação de espectroscopia vibracional e difração de raios X é eficaz para elucidar processos de oxidação superficial”, acrescenta o Prof.
A CTR de raios X revelou que a formação de óxido resulta em flambagem superficial e extração de Pt. As medições SERS e IRAS revelaram a formação potencial e dependente de cátions de três espécies de óxidos, nomeadamente hidróxido adsorvido ativo no infravermelho (IR) OH (OHad ), Água adsorvida ativa Raman (H2 O)anúncio , e oxigênio ativo em Raman (Oad ).
A equipe descobriu que cátions hidrofílicos como Li
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estabilizar OH ativo por infravermelhoad , evitando assim a formação de óxido prejudicial, enquanto hidrofilicidade moderada de K
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não tem efeito protetor. Curiosamente, cátions hidrofóbicos volumosos, como TMA
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também reduz a oxidação irreversível, semelhante ao Li
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. Notavelmente, a equipe também descobriu que a repulsão eletrostática entre Raman-ativo (H2 O)anúncio e vizinho Oad ativo em Raman facilita a extração de Pt.
Estes resultados sugerem que os cátions interfaciais desempenham um papel essencial na formação de óxidos nas superfícies de Pt, que pode ser controlado pela seleção de cátions apropriados. Elaborando esses resultados, o Prof. Nakamura observa:"Esses insights são cruciais para a compreensão dos mecanismos de oxidação de superfície e da estrutura EDL, o que pode ser benéfico para obter eletrocatalisadores de Pt estáveis e de alto desempenho para uso em dispositivos eletroquímicos de próxima geração."
No geral, este estudo leva-nos um passo em frente na consecução de um futuro com zero emissões de carbono, alimentado por hidrogénio abundante e limpo.
