Tão importante quanto o motor de combustão interna tem sido para o progresso social, também é um dos principais contribuintes para a poluição que prejudica a saúde humana e as emissões de carbono que ajudam a impulsionar a crise climática. Perto de 30% das emissões de carbono dos EUA vêm do transporte e 95% do transporte usa combustíveis fósseis.
Um elemento de um remédio potencial seria alimentar veículos com células de combustível de hidrogênio, que emitem apenas vapor de água. No entanto, essa solução de sustentabilidade tem um aspecto irônico embutido que é insustentável:os catalisadores necessários para extrair energia do hidrogênio envolvem metais raros e caros, como a platina. Em quantidades usadas para a tecnologia de hoje, a adoção generalizada exigiria quantidades desses metais além do que a humanidade pode obter.

Um estudo recente em Nature Nanotecnologia liderada por um professor da UCLA pode representar um ponto de virada. Os pesquisadores relataram uma abordagem que lhes permitiu atingir – e vencer – metas ambiciosas de alto desempenho do catalisador, alta estabilidade e baixo uso de platina que foram estabelecidas pelo Departamento de Energia. Sua tecnologia recorde usou cristais minúsculos de uma liga de platina-cobalto, cada um embutido em um nanobolso feito de grafeno, descrito como um material bidimensional porque compreende uma camada de carbono de um átomo de espessura.

Em comparação com os rigorosos padrões DOE para catalisadores - não atendidos até agora - a liga envolta em grafeno dos autores produziu resultados extraordinários:

• 75 vezes mais atividade catalítica
• 65% mais potência
• cerca de 20% mais atividade catalítica no final esperado da vida útil da célula de combustível
• cerca de 35% menos perda de energia após o teste que simula 6.000 a 7.000 horas de uso, superando a meta de 5.000 horas pela primeira vez
• quase 40% menos platina por veículo

“Isso nunca foi feito antes”, disse o autor correspondente Yu Huang, professor e presidente do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Escola de Engenharia Samueli da UCLA e membro do Instituto de NanoSystems da Califórnia na UCLA. "Esta descoberta envolveu alguma serendipidade. Sabíamos que estávamos em algo que poderia tornar as partículas menores estáveis, mas não esperávamos que funcionasse tão bem."

Hoje, metade da oferta global total de platina e metais similares é usada para conversores catalíticos em veículos movidos a combustíveis fósseis, um componente que torna suas emissões menos nocivas. Em algum lugar entre 2 e 8 gramas de platina são necessários por veículo. Em comparação, a tecnologia atual de células de combustível de hidrogênio usa cerca de 36 gramas por veículo.

Na menor carga de platina testada por Huang e sua equipe, cada veículo movido a hidrogênio precisaria de apenas 6,8 gramas de platina.

Então, como os pesquisadores conseguiram mais poder com menos platina? Eles quebraram o catalisador à base de platina em partículas com uma média de 3 nanômetros de comprimento. Um nanômetro é um bilionésimo de metro, e as nanopartículas eram tão pequenas que seriam necessárias mais de 30.000 colocadas de ponta a ponta para abranger a espessura de uma única folha de papel. Partículas menores significam mais área de superfície, e mais área de superfície significa mais espaço onde a atividade catalítica pode ocorrer.

Há um problema, porém, que frustrou as tentativas anteriores de obter melhor desempenho, reduzindo o tamanho dos catalisadores de células de combustível de hidrogênio. Por conta própria, partículas menores também são muito menos duráveis, porque tendem a se desprender de uma superfície ou se aglomerar em partículas maiores.

Huang e seus colegas abordaram essa limitação blindando suas partículas de catalisador no material 2D grafeno. Comparado ao carbono a granel, como comumente visto no carvão ou grafite, essas camadas finas de carbono têm capacidades surpreendentes, conduzindo eletricidade e calor com eficiência e mostrando resistência 100 vezes maior que a do aço com espessura semelhante.

Sua liga de platina-cobalto foi reduzida a partículas. Antes de serem integradas a uma célula a combustível, as partículas eram envoltas por nanobolsões de grafeno, que funcionavam como uma espécie de âncora para impedir a migração das partículas – necessária para o nível de durabilidade exigido em veículos comerciais. Ao mesmo tempo, o grafeno permitiu uma pequena lacuna, de cerca de 1 nanômetro, em torno de cada nanopartícula de catalisador, o que significava que as principais reações eletroquímicas poderiam ocorrer.

"É meio intuitivo", disse Huang. "Se você colocar uma tampa na partícula que permite que a reação continue, mas confina a partícula naquele lugar, isso resolverá o problema de durabilidade que, no entanto, é muito difícil de alcançar em uma escala tão pequena".

Este último avanço segue um recente estudo colaborativo liderado por Huang que produziu um modelo para prever a atividade catalítica e a durabilidade de uma liga à base de platina que pode ser usada para orientar o projeto de catalisadores – o primeiro desse tipo. Ela e sua equipe estão trabalhando para traduzir seus resultados experimentais em tecnologia prática que pode ser levada ao mercado e, esperançosamente, somada aos esforços de energia verde e sustentabilidade. + Explorar mais

Possível passo em direção a energia mais barata baseada em hidrogênio:Previsão do desempenho de catalisadores em células de combustível