Os avanços na tecnologia de células de combustível foram impedidos pela inadequação dos metais estudados como catalisadores. A desvantagem da platina, além do custo, é que ele absorve monóxido de carbono em reações envolvendo células de combustível alimentadas por materiais orgânicos como o ácido fórmico. Um metal testado mais recentemente, paládio, decompõe-se com o tempo.

Agora, os químicos da Brown University criaram uma nanopartícula metálica de cabeça tripla que, segundo eles, supera e dura mais do que todas as outras na extremidade do ânodo nas reações de células a combustível de ácido fórmico. Em um artigo publicado no Jornal da American Chemical Society , os pesquisadores relatam uma nanopartícula de ferro-platina-ouro de 4 nanômetros (FePtAu), com uma estrutura de cristal tetragonal, gera corrente mais alta por unidade de massa do que qualquer outro catalisador de nanopartículas testado. Além disso, a nanopartícula trimetálica em Brown tem um desempenho quase tão bom após 13 horas quanto no início. Por contraste, outro conjunto de nanopartículas testado em condições idênticas perdeu quase 90 por cento de seu desempenho em apenas um quarto do tempo.

"Desenvolvemos um catalisador de célula combustível de ácido fórmico que é o melhor que já foi criado e testado até agora, "disse Shouheng Sun, professor de química na Brown e autor correspondente no artigo. "Tem boa durabilidade e também boa atividade."

O ouro desempenha um papel fundamental na reação. Primeiro, ele atua como uma espécie de organizador da comunidade, levando os átomos de ferro e platina ao puro, camadas uniformes dentro da nanopartícula. Os átomos de ouro então saem do palco, ligação à superfície externa do conjunto de nanopartículas. O ouro é eficaz para ordenar os átomos de ferro e platina porque os átomos de ouro criam espaço extra dentro da esfera de nanopartículas no início. Quando os átomos de ouro se difundem do espaço durante o aquecimento, eles criam mais espaço para os átomos de ferro e platina se reunirem. O ouro cria a cristalização que os químicos desejam na montagem das nanopartículas em temperatura mais baixa.

O ouro também remove o monóxido de carbono (CO) da reação, catalisando sua oxidação. Monóxido de carbono, além de ser perigoso respirar, liga-se bem aos átomos de ferro e platina, atrapalhando a reação. Essencialmente, eliminando-o da reação, ouro melhora o desempenho do catalisador de ferro-platina. A equipe decidiu experimentar o ouro depois de ler na literatura que as nanopartículas de ouro eram eficazes na oxidação do monóxido de carbono - tão eficaz, na verdade, que nanopartículas de ouro foram incorporadas aos capacetes dos bombeiros japoneses. De fato, as nanopartículas metálicas de cabeça tripla da equipe de Brown funcionaram tão bem na remoção de CO na oxidação do ácido fórmico, embora não esteja claro especificamente por quê.

Os autores também destacam a importância de criar uma estrutura cristalina ordenada para o catalisador de nanopartículas. O ouro ajuda os pesquisadores a obter uma estrutura cristalina chamada "tetragonal centrado na face, "uma forma de quatro lados em que átomos de ferro e platina são essencialmente forçados a ocupar posições específicas na estrutura, criando mais ordem. Ao impor a ordem atômica, as camadas de ferro e platina se ligam mais firmemente na estrutura, tornando a montagem mais estável e durável, essencial para catalisadores de melhor desempenho e mais duradouros.

Em experimentos, o catalisador FePtAu atingiu 2809,9 mA / mg Pt (atividade de massa, ou corrente gerada por miligrama de platina), "que é o maior entre todos os catalisadores NP (nanopartículas) já relatados, "escrevem os pesquisadores de Brown. Após 13 horas, a nanopartícula FePtAu tem uma atividade de massa de 2600mA / mg Pt, ou 93 por cento de seu valor de desempenho original. Em comparação, os cientistas escrevem, a nanopartícula de platina-bismuto bem recebida tem uma atividade de massa de cerca de 1720mA / mg Pt em experimentos idênticos, e é quatro vezes menos ativo quando medido para durabilidade.

Os pesquisadores observam que outros metais podem substituir o ouro no catalisador de nanopartículas para melhorar o desempenho e a durabilidade do catalisador.

"Esta comunicação apresenta uma nova estratégia de controle de estrutura para ajustar e otimizar a catálise de nanopartículas para oxidações de combustível, "escrevem os pesquisadores.

Sen Zhang, um estudante de graduação do terceiro ano no laboratório da Sun, ajudou com o design e síntese de nanopartículas. Shaojun Guo, um pós-doutorado no laboratório de Sun realizou experimentos de oxidação eletroquímica. Huiyuan Zhu, um estudante de graduação do segundo ano no laboratório da Sun, sintetizou as nanopartículas de FePt e realizou experimentos de controle. O outro autor colaborador é Dong Su, do Center for Functional Nanomaterials at Brookhaven National Laboratory, que analisou a estrutura do catalisador de nanopartículas usando os recursos avançados de microscopia eletrônica de lá.