Cientistas que trabalham no Departamento de Nanomateriais Funcionais do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências projetaram e sintetizaram um Pt / Re / SnO ternário funcional ₂ / C catalisador como um material anódico em uma célula de combustível de etanol direto. Foi possível sintetizar platina, nanopartículas de óxido de rênio e estanho de formato esférico e que garantem o contato físico entre elas. Essa descoberta levará à produção de mais eficientes, catalisadores de células de combustível mais verdes e mais baratos.

Um dos maiores desafios que a ciência moderna enfrenta hoje é o desenvolvimento de novos, tecnologias eficientes e ecologicamente corretas para a conversão de energia química em eletricidade. As células a combustível de etanol estão se tornando uma fonte alternativa de energia. O etanol parece ser o combustível ideal do futuro, Porque, em comparação com metanol ou hidrogênio, tem toxicidade significativamente menor, não apresenta problemas ou ameaças de armazenamento e transporte, e também pode ser obtido a partir de biomassa. Contudo, os catalisadores usados ​​em células de combustível de etanol direto (DEFCs) não são suficientemente eficazes e produzem principalmente subprodutos em vez do produto final de etanol esperado, como o dióxido de carbono. Essas substâncias são fortemente adsorvidas na superfície da platina, qual é o catalisador mais comumente usado. Como resultado, eles bloqueiam os locais cataliticamente ativos evitando uma reação posterior, causando assim o chamado envenenamento do catalisador e diminuindo a eficiência geral do dispositivo. Portanto, o principal desafio é desenvolver o tipo apropriado de catalisadores.

Os catalisadores à base de platina e platina são amplamente usados ​​em DEFCs. A adsorção de etanol ocorre na superfície da platina, que desencadeia sua reação de oxidação (Ethanol Oxidation Reaction - EOR). Os problemas de envenenamento podem ser resolvidos adicionando outros componentes à platina, como ródio metálico e óxidos de estanho, que melhoram a eficiência do EOR porque desempenham um papel único e individual na via de oxidação do etanol. A função do ródio é dividir a ligação carbono-carbono na molécula de etanol, enquanto o dióxido de estanho fornece grupos hidroxila para oxidar intermediários e ajuda a desbloquear a superfície inativa da platina. Além de ródio e estanho, elementos como Ru, Ir, Cu, Fe, Co, Ni e muitos outros também são usados. Um nanocatalisador ternário contendo nanooligas de platina e ródio depositadas em óxido de estanho, que atualmente é considerada uma das configurações mais eficientes e seletivas na reação de oxidação do etanol, também foi amplamente estudado. Também é sugerido que o contato físico entre as nanopartículas desempenha um papel crucial.

Cientistas do Departamento de Nanomateriais Funcionais do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências, liderado pelo Prof. Eng. Magdalena Parlinska-Wojtan, assumiu a tarefa de projetar e sintetizar um novo material, que poderia desempenhar o papel de um catalisador anódico. Para este propósito, eles decidiram analisar o efeito do rênio, usado como um dos três componentes do catalisador, na melhoria da eficiência do EOR. Além disso, os pesquisadores presumiram que, usando interações intermoleculares e medições de potencial eletrocinético, seria possível montar o Pt sintetizado separadamente, Re e SnO ₂ nanopartículas em combinações duplas e triplas para garantir seu contato físico. Essa montagem é possível devido aos valores opostos do potencial eletrocinético de cada tipo de nanopartículas. Ao realizar estudos de estabilidade, os pesquisadores também se concentraram na durabilidade do catalisador porque a degradação dos componentes do nanocatalisador é um fator sério que limita a estabilidade e a comercialização dos catalisadores.

“Na primeira fase do nosso trabalho, otimizamos os processos de obtenção de nanopartículas individuais:platina, óxido de rênio e estanho, que se destinavam a ser os componentes de um catalisador anódico, "diz o Dr. Eng. Elzbieta Drzymala da IFJ PAN, o principal autor da publicação científica, descrevendo os detalhes dos estudos realizados. "Então, usando interações intermoleculares, colocamos nanopartículas sintetizadas individualmente para garantir o contato físico entre elas. Desta maneira, obtivemos combinações binárias e ternárias de nanopartículas, que foram então depositados em substratos de carbono com distribuição uniforme para fornecer às moléculas de etanol o melhor acesso às superfícies ativas. O próximo passo foi estudar as propriedades eletroquímicas de combinações binárias e ternárias selecionadas, dado seu uso potencial como material anódico em células a combustível de etanol. Finalmente, comparamos os resultados de nosso trabalho com um catalisador de platina comercial. "

Os resultados obtidos revelaram-se muito importantes e incentivaram novas pesquisas neste tipo de materiais. O catalisador desenvolvido pelo grupo IFJ PAN feito de Pt, Re e SnO ₂ nanopartículas podem ser usadas com sucesso como um catalisador anódico em DEFCs. As análises realizadas com microscopia eletrônica de transmissão (TEM) em combinação com espectroscopia EDS confirmaram o contato físico entre as nanopartículas formadoras do Pt / Re / SnO ternário. ₂ / C catalisador (veja a figura). Foi provado experimentalmente por técnicas voltamétricas que este catalisador ternário exibe atividade mais de dez vezes maior na reação de oxidação do etanol em comparação com um catalisador de platina comercial. Além do mais, foi demonstrado que o Pt / Re / SnO ₂ / C catalisador apresenta a melhor estabilidade - após o teste, preservou quase 96% da superfície eletroquimicamente ativa (em comparação com 12% para o catalisador comercial). Também é importante que o catalisador ternário mostre o valor mais baixo de potencial de início - o valor do potencial de oxidação inicial é quase 0,3 V menor em comparação com um catalisador de platina comercial. Assim, o uso do rênio como terceiro componente e a conexão das nanopartículas de forma que permaneçam em contato físico gerou o efeito desejado de melhorar a eficiência do EOR.

"Nossas pesquisas futuras continuarão a se concentrar em catalisadores de células de combustível, "explica o Dr. Eng. Drzymala." No entanto, indo um passo adiante, gostaríamos de resolver as questões econômicas e desenvolver um sistema catalítico com propriedades melhores ou pelo menos comparáveis, mas sem a adição de platina. Acredito que o uso de nanopartículas sem platina decoradas com pequenos SnO de 2 nanômetros ₂ nanopartículas como componentes de tal catalisador nos aproximarão da criação de um material totalmente funcional para o ânodo da célula de combustível. Espero que o catalisador sem platina seja sintetizado em breve no Departamento de Nanomateriais Funcionais do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências. "