Para tornar as células de combustível mais acessíveis, os investigadores passaram décadas à procura de catalisadores de baixo custo para substituir a platina e outros metais caros.



Isto inclui experimentar diferentes combinações de três materiais abundantes e relativamente baratos:ferro, nitrogênio e carbono. Os resultados até agora têm sido desiguais. Os pesquisadores podem tornar o catalisador ferro-nitrogênio-carbono durável ou eficiente, mas não ambos.

Um novo estudo liderado pela Universidade de Buffalo pode oferecer uma solução. Na revista Nature Catalysis , os pesquisadores relatam como a adição de hidrogênio ao processo de fabricação cria um catalisador forte e eficaz que se aproxima do desempenho da platina.

O avanço sugere um passo importante para ajudar a tecnologia das células de combustível a atingir o seu potencial como fornecedora de electricidade livre de poluição para automóveis, camiões, comboios, aviões e outros veículos pesados.

"Durante anos, a comunidade científica tem lutado para equilibrar essa compensação. Podemos fazer produtos de baixo custo que sejam eficazes, mas que se degradem com muita facilidade. Ou os tornamos muito estáveis, mas seu desempenho não poderia ser igual ao da platina. Com este trabalho, demos um passo para resolver este problema”, afirma o autor correspondente do estudo, Gang Wu, Ph.D., professor do Departamento de Engenharia Química e Biológica da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas.

O trabalho baseia-se em pesquisas anteriores lideradas por Wu, que descreveram catalisadores de ferro-nitrogênio-carbono que, embora duráveis, lutaram para acelerar reações químicas importantes dentro das células de combustível.

O novo estudo abordou essa limitação durante um processo de fabricação chamado pirólise, que envolve o uso de temperaturas extremamente altas para combinar materiais.

Durante a pirólise, os pesquisadores ligaram quatro átomos de nitrogênio ao ferro em uma câmara de alta temperatura. Eles então incorporaram esse material em algumas camadas de grafeno, que é uma forma de carbono resistente, leve e flexível.

Geralmente esse processo ocorre dentro de uma câmara contendo um gás inerte, como o argônio. No entanto, desta vez os pesquisadores alimentaram a câmara com hidrogênio para criar uma mistura de 90% de argônio e 10% de hidrogênio.

Como resultado, os pesquisadores conseguiram controlar com mais precisão a composição do catalisador. Especificamente, eles foram capazes de colocar dois compostos diferentes de ferro-nitrogênio-carbono (um continha 10 átomos de carbono, o outro continha 12 átomos de carbono) em posições que apoiam a durabilidade e a eficiência.

O catalisador resultante atingiu o desempenho inicial da célula de combustível muito além da meta do Departamento de Energia para 2025. Ele também se mostrou mais durável do que a maioria dos catalisadores de ferro-nitrogênio-carbono, aproximando-se de um típico cátodo de baixo platina usado para células de combustível.

Mais informações: O ajuste da atmosfera de ativação térmica quebra o equilíbrio entre atividade e estabilidade dos catalisadores de células de combustível com redução de oxigênio Fe – N – C. Catálise da Natureza (2023). DOI:10.1038/s41929-023-01062-8
Informações do diário: Catálise da Natureza

Fornecido pela Universidade de Buffalo