p (Phys.org) - A busca para aproveitar o hidrogênio como o combustível de queima limpa do futuro exige os catalisadores perfeitos - máquinas em nanoescala que aumentam as reações químicas. Os cientistas devem ajustar as estruturas atômicas para alcançar um equilíbrio ideal de reatividade, durabilidade, e síntese em escala industrial. Em uma fronteira emergente de catálise, os cientistas também buscam nanopartículas tolerantes ao monóxido de carbono, uma impureza envenenante no hidrogênio derivado do gás natural. Esse combustível impuro - 40% mais barato que o hidrogênio puro produzido a partir da água - permanece praticamente inexplorado. p Agora, cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) - em pesquisa publicada online em 18 de setembro, 2013 na revista Nature Communications —Criou um nanocatalisador de alto desempenho que atende a todas essas demandas. A nova estrutura de núcleo-concha - rutênio revestido com platina - resiste aos danos do monóxido de carbono, uma vez que impulsiona as reações energéticas centrais às células de combustível de veículos elétricos e tecnologias semelhantes.

p "Essas nanopartículas exibem um ordenamento atômico perfeito tanto no rutênio quanto na platina, superar os defeitos estruturais que anteriormente prejudicaram os catalisadores tolerantes ao monóxido de carbono, "disse o co-autor do estudo e químico do Brookhaven Lab, Jia Wang." Nosso altamente escalável, método de síntese 'verde', conforme revelado por técnicas de imagem em escala atômica, abre novas e excitantes possibilidades para catálise e sustentabilidade. "

p Fabricando Cristais com Perfeição Atômica

p Os catalisadores dentro das células de combustível liberam a energia intrínseca das moléculas de hidrogênio e a convertem em eletricidade. A platina tem um desempenho excepcionalmente bom com combustível de hidrogênio puro, mas o alto custo e raridade do metal impede sua implantação generalizada. Ao revestir metais menos caros com camadas finas de átomos de platina, Contudo, os cientistas podem reter a reatividade enquanto reduzem os custos e criam estruturas core-shell com parâmetros de desempenho superiores.

p As impurezas de monóxido de carbono no hidrogênio formado a partir do gás natural representam outro desafio para os cientistas porque desativam a maioria dos catalisadores de platina. O rutênio - menos caro do que a platina - promove a tolerância ao monóxido de carbono, mas é mais propenso a dissolução durante a inicialização / desligamento das células de combustível, causando degradação gradual do desempenho.

p "Decidimos proteger os núcleos de rutênio da dissolução com cascas de platina completas com apenas um ou dois átomos de espessura, "Wang disse." Estudos de ciência de superfície anteriores revelaram uma variação notável das propriedades da superfície nesta configuração de núcleo-casca, sugerindo a necessidade e a oportunidade de aperfeiçoar a receita com controle preciso. "

p Havia dúvidas sobre se um núcleo de rutênio altamente ordenado era ou não possível com uma casca de platina - nanopartículas previamente sintetizadas exibiam uma estrutura de cristal enfraquecida no rutênio.

p "Felizmente, descobrimos que a perda da estrutura do rutênio foi devido à difusão intercamada mediada por defeito, o que é evitável, "Disse Wang." Ao eliminar quaisquer defeitos de rede nas nanopartículas de rutênio antes de adicionar platina, preservamos o crucial, estrutura atômica discreta de cada elemento. "

p O método de síntese escalonável e barato usa etanol - um solvente comum e barato - como redutor para fabricar o núcleo e a casca das nanopartículas. O sofisticado processo não requer outros agentes orgânicos ou moldes de metal.

p "Simplesmente ajustando a temperatura, agua, e a acidez das soluções nos deu controle completo sobre o processo e produziu tamanho de nanopartícula de rutênio notavelmente consistente e revestimento de platina uniforme, "disse o químico do Brookhaven Lab, Radoslav Adzic, outro co-autor do estudo. "Essa simplicidade oferece alta reprodutibilidade e escalabilidade, e demonstra o claro potencial comercial de nosso método. "

p Caracterização Core-Shell

p "Levamos os catalisadores completos para outras instalações aqui no Laboratório para revelar os detalhes exatos da estrutura atômica, Wang disse. "Esse tipo de colaboração rápida só é possível quando você trabalha ao lado de especialistas e instrumentos de classe mundial."

p Cientistas do Laboratório de Brookhaven National Synchrotron Light Source (NSLS) revelaram a densidade atômica, distribuição, e uniformidade dos metais nos nanocatalisadores usando uma técnica chamada difração de raios-X, onde a luz de alta frequência se espalha e se dobra após interagir com átomos individuais. A colaboração também usou um microscópio eletrônico de transmissão de varredura (STEM) no Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN) de Brookhaven para identificar os diferentes padrões atômicos sub-nanômetros. Com este instrumento, um feixe de elétrons focalizado bombardeou as partículas, criar um mapa das estruturas central e de casca.

p "Descobrimos que os elementos não se misturavam no limite núcleo-casca, que é um passo crítico, "disse o físico da CFN Dong Su, coautor e especialista em STEM. "A ordem atômica em cada elemento, juntamente com os modelos teóricos certos, nos fala sobre como e por que o novo nanocatalisador faz sua mágica. "

p Determinar a configuração funcional ideal para o núcleo e o shell também exigiu o uso da experiência do CFN em ciência da computação. Com cálculos da teoria funcional da densidade (DFT), o computador ajuda a identificar a estrutura de platina-rutênio energeticamente mais estável.

p "A análise DFT conecta os pontos entre desempenho e configuração, e corrobora nossas observações diretas de difração de raios-x e microscopia eletrônica, "Adzic disse.

p Descoberta para implantação

p Ballard Power Systems, uma empresa dedicada à produção de células de combustível, avaliou de forma independente o desempenho dos novos nanocatalisadores core-shell. Além de testar a alta atividade dos catalisadores de baixo teor de platina em hidrogênio puro, Ballard olhou especificamente para a resistência ao monóxido de carbono presente no gás hidrogênio impuro e a resistência à dissolução durante os ciclos de inicialização / desligamento. O nanocatalisador de bicamada exibiu alta durabilidade e maior tolerância ao monóxido de carbono - a combinação permite o uso de hidrogênio impuro sem muita perda de eficiência ou aumento no custo do catalisador.

p O nanocatalisador também teve um bom desempenho na produção de gás hidrogênio por meio da reação de evolução de hidrogênio, levando a outra parceria industrial. Próton no local, uma empresa especializada em separar o hidrogênio da água e outros processos semelhantes, concluiu os testes de viabilidade para implantar a tecnologia em sua produção de eletrolisadores de água, que agora exigirá cerca de 98 por cento menos platina.

p “Eletrolisadores de água já estão no mercado, para que este nanocatalisador possa ser implantado rapidamente, "Disse Wang." Quando os veículos de célula de combustível de hidrogênio forem lançados nos próximos anos, esta nova estrutura pode acelerar o desenvolvimento reduzindo os custos dos catalisadores metálicos e do combustível. "