Experimentos no Instituto Paul Scherrer PSI mostram como os prótons reagem com um eletrodo de ferro sob condições realistas de célula de combustível. Sua compreensão teórica das reações eletroquímicas subjacentes fornece informações importantes para a otimização adicional das células a combustível.

As células a combustível de membrana de troca de prótons geram energia elétrica quebrando o hidrogênio molecular em nanopartículas de platina finamente dispersas na superfície de uma membrana condutora de prótons. Simultaneamente, o oxigênio é reduzido no cátodo, resultando na formação de água. Em altas densidades de corrente, a redução de oxigênio é frequentemente limitada pelo transporte de prótons através da membrana. Não é viável utilizar membranas mais finas, pois isso as tornaria suscetíveis à degradação.

Uma abordagem alternativa promissora envolve o fornecimento direto de prótons ao cátodo, contornando assim as limitações do transporte de massa através da membrana. Isto pode ser conseguido fornecendo um ambiente ácido no cátodo, o chamado doping ácido, melhorando assim o desempenho das células de combustível. Aqui, o eletrodo e o ionômero – polímero que garante a condutividade protônica – são ácidos, enquanto o eletrólito permanece alcalino.

Um papel importante é desempenhado pelos óxidos de superfície

Pesquisadores do Laboratório de Espalhamento e Imagem de Nêutrons e do Laboratório de Interfaces Eletroquímicas do PSI e do Helmholtz-Zentrum Hereon conseguiram agora identificar e caracterizar os processos que ocorrem no cátodo durante a chamada dopagem ácida.

Para os experimentos, os pesquisadores usaram duas configurações diferentes:por um lado, experimentos modelo em uma célula eletroquímica especialmente projetada permitiram realizar experimentos de espectroscopia de fotoelétrons de raios X na linha de luz da fonte de luz suíça SLS no PSI. Por outro lado, eles usaram medições de impedância eletroquímica operando em uma bancada de testes de células de combustível.

A combinação dos resultados experimentais com modelos teóricos desenvolvidos na Universidade de Viena (Áustria) permitiu aos investigadores identificar e descrever detalhadamente os mecanismos subjacentes.

Papel fundamental dos óxidos de superfície

Os cientistas conseguiram visualizar e analisar quimicamente o cátodo sob condições realistas de célula de combustível, ou seja, durante a reação eletroquímica de redução de oxigênio. Pela primeira vez, eles conseguiram mostrar como a superfície do cátodo se modifica no ambiente ácido. Especificamente, eles foram capazes de demonstrar que os prótons do eletrólito ácido reagem com o ferro do cátodo para formar óxidos de ferro:Esses óxidos de ferro reagem ainda mais com as moléculas de ionômero, melhorando a condutividade protônica do cátodo e, portanto, o desempenho geral do combustível. célula.

"À medida que o óxido de ferro se forma na superfície do cátodo, as moléculas de ionômero podem se ancorar melhor à superfície e ficar em melhor contato com a superfície do ferro. Elas são, portanto, capazes de transportar prótons com mais facilidade, "explica o pesquisador do PSI e primeiro autor do o estudo, Thomas Justus Schmidt.

A compreensão exacta destes mecanismos complexos pode fornecer informações importantes para o futuro desenvolvimento e optimização de células de combustível, em particular de células de combustível de baixa temperatura altamente eficientes para o sector da mobilidade e aplicações estacionárias.