p Como as fontes renováveis, como a eólica e a solar, estão mudando rapidamente o panorama da energia, os cientistas estão procurando maneiras de armazenar melhor a energia para quando ela for necessária. Células de combustível, que convertem energia química em energia elétrica, são uma solução possível para armazenamento de energia de longo prazo, e poderia algum dia ser usado para mover caminhões e carros sem queimar combustível. Mas antes que as células de combustível possam ser amplamente utilizadas, Químicos e engenheiros precisam encontrar maneiras de tornar essa tecnologia mais econômica e estável. p Um novo estudo do laboratório de Penn integra o conhecimento, professor Christopher Murray, liderado pela estudante de graduação Jennifer Lee, mostra como nanomateriais personalizados podem ser usados ​​para enfrentar esses desafios. No Materiais e interfaces aplicados ACS , pesquisadores mostram como uma célula de combustível pode ser construída de forma mais barata, metais mais amplamente disponíveis usando um design de nível atômico que também dá ao material estabilidade a longo prazo. O ex-pós-doutorado Davit Jishkariani e os ex-alunos Yingrui Zhao e Stan Najmr, atual aluno Daniel Rosen, e os professores James Kikkawa e Eric Stach, também contribuiu para este trabalho.

p A reação química que alimenta uma célula de combustível depende de dois eletrodos, um ânodo negativo e um cátodo positivo, separados por um eletrólito, uma substância que permite que os íons se movam. Quando o combustível entra no ânodo, um catalisador separa as moléculas em prótons e elétrons, com o último viajando em direção ao cátodo e criando uma corrente elétrica.

p Os catalisadores são normalmente feitos de metais preciosos, como platina, mas porque as reações químicas ocorrem apenas na superfície do material, quaisquer átomos que não são apresentados na superfície do material são desperdiçados. Também é importante que os catalisadores permaneçam estáveis ​​por meses e anos porque as células de combustível são muito difíceis de substituir.

p Os químicos podem resolver esses dois problemas projetando nanomateriais personalizados que têm platina na superfície, enquanto usam metais mais comuns, como cobalto, na massa para fornecer estabilidade. O grupo Murray se destaca na criação de nanomateriais bem controlados, conhecidos como nanocristais, em que eles podem controlar o tamanho, forma, e composição de qualquer nanomaterial composto.

p Neste estudo, Lee concentrou-se no catalisador no cátodo de um tipo específico de célula a combustível conhecida como célula a combustível de membrana de troca de prótons. "O cátodo é mais um problema, porque os materiais são platina ou à base de platina, que são caros e têm taxas de reação mais lentas, "ela diz." Projetar o catalisador para o cátodo é o foco principal do projeto de uma boa célula de combustível. "

p O desafio, explica Jishkariani, estava na criação de um cátodo no qual átomos de platina e cobalto formariam uma estrutura estável. "Sabemos que o cobalto e a platina se misturam bem; no entanto, se você fizer ligas desses dois, você adicionou átomos de platina e cobalto em uma ordem aleatória, ", diz ele. Adicionar mais cobalto em uma ordem aleatória faz com que ele vaze para o eletrodo, o que significa que a célula de combustível funcionará apenas por um curto período de tempo.

p Para resolver este problema, os pesquisadores projetaram um catalisador feito de platina e cobalto em camadas, conhecido como fase intermetálica. Ao controlar exatamente onde cada átomo estava no catalisador e travar a estrutura no lugar, o catalisador catódico foi capaz de funcionar por períodos mais longos do que quando os átomos estavam dispostos aleatoriamente. Como uma descoberta adicional inesperada, os pesquisadores descobriram que adicionar mais cobalto ao sistema levou a uma maior eficiência, com uma proporção de 1 para 1 de platina para cobalto, melhor do que muitas outras estruturas com uma ampla faixa de proporções de platina para cobalto.

p A próxima etapa será testar e avaliar o material intermetálico em conjuntos de células de combustível para fazer comparações diretas com os sistemas disponíveis comercialmente. O grupo Murray também trabalhará em novas maneiras de criar a estrutura intermetálica sem altas temperaturas e ver se a adição de átomos adicionais melhora o desempenho do catalisador.

p Este trabalho exigia imagens microscópicas de alta resolução, trabalho que Lee fez anteriormente no Brookhaven National Lab, mas, graças às recentes aquisições, agora pode ser feito na Penn, no Singh Center for Nanotechnology. "Muitos dos experimentos de ponta que teríamos que viajar em todo o país, às vezes em todo o mundo, agora podemos fazer muito mais perto de casa, "diz Murray." Os avanços que trouxemos em microscopia eletrônica e espalhamento de raios-X são uma adição fantástica para as pessoas que trabalham com conversão de energia e estudos catalíticos.

p Lee também experimentou em primeira mão como a pesquisa química se conecta diretamente aos desafios do mundo real. Ela recentemente apresentou este trabalho na conferência do International Precious Metals Institute e diz que conhecer membros da comunidade de metais preciosos foi esclarecedor. “Há empresas que buscam tecnologia de célula de combustível e falam sobre o mais novo design dos carros de célula de combustível, "ela diz." Você pode interagir com pessoas que pensam em seu projeto de perspectivas diferentes. "

p Murray vê esta pesquisa fundamental como um ponto de partida para a implementação comercial e aplicação no mundo real, enfatizando que o progresso futuro depende da pesquisa voltada para o futuro que está acontecendo agora. "Pensando em um mundo onde substituímos muitos dos insumos tradicionais baseados em combustíveis fósseis, se pudermos descobrir esta interconversão de energia elétrica e química, isso resolverá alguns problemas muito importantes simultaneamente. "