As células a combustível de etanol são consideradas fontes promissoras de eletricidade verde. No entanto, catalisadores de platina caros são usados ​​em sua produção. A pesquisa sobre a fusão a laser de suspensões realizada no Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências em Cracóvia levou os pesquisadores a materiais que catalisam o etanol com uma eficiência semelhante - e potencialmente ainda maior - à da platina, mas são feitos de um elemento isso é muitas vezes mais barato que a platina.



Quando pulsos de laser irradiam uma suspensão de nanopartículas, as partículas na suspensão podem começar a derreter e a aderir permanentemente, enquanto passam rapidamente por reações químicas mais ou menos complexas. Um dos materiais recentes obtidos desta forma, produzido no Instituto de Física Nuclear da Academia Polaca de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia, revela ter uma eficiência inesperadamente elevada na catalisação do etanol, um composto considerado uma energia promissora. fonte para células de combustível.

O etanol é um combustível com muitas vantagens:pode ser produzido de forma renovável (por exemplo, a partir de biomassa), pode ser facilmente armazenado e possui baixa toxicidade. O que é de particular importância, contudo, é o facto de que a partir de uma unidade de massa de etanol é possível obter até várias vezes a quantidade de electricidade em comparação com as actuais fontes de energia populares.

A eletricidade nas células a combustível movidas a etanol é gerada por processos associados à oxidação desse álcool na camada catalisadora da reação. Infelizmente, os catalisadores atuais não permitem a oxidação rápida e completa do etanol em água e dióxido de carbono. Como resultado, as células não só não conseguem atingir a eficiência máxima, mas também produzem subprodutos indesejáveis ​​que se depositam no catalisador e, com o tempo, levam ao desaparecimento das suas propriedades.

“Um obstáculo considerável para o sucesso comercial das células de etanol é também o seu preço. O catalisador que encontramos pode ter um impacto significativo na sua redução e, consequentemente, na disponibilidade de novas células no mercado consumidor. não é platina, mas cobre, que é quase 250 vezes mais barato que a platina", diz o Dr. Mohammad Shakeri (IFJ PAN), primeiro autor do artigo publicado na revista Advanced Functional Materials.

A conquista dos cientistas do IFJ PAN é resultado de pesquisas realizadas sobre controle a laser do tamanho e da composição química de aglomerados em suspensões. A ideia principal por trás da nanossíntese de compósitos a laser é a irradiação de uma suspensão contendo aglomerados de nanopartículas de uma substância química específica com pulsos de luz laser não focada com parâmetros adequadamente selecionados.

A energia apropriadamente distribuída faz com que a temperatura das partículas aumente, elas derretem na superfície e se aglomeram em estruturas cada vez maiores, que esfriam rapidamente em contato com o líquido frio circundante. A temperatura atingida pelas partículas é determinada por vários fatores, incluindo a energia dos fótons emitidos pelo laser, a intensidade do feixe, a frequência e comprimento dos pulsos e até mesmo o tamanho dos aglomerados em suspensão.

“Dependendo da temperatura atingida pelos aglomerados, diversas reações químicas podem ocorrer no material, além de alterações de natureza puramente estrutural. Em nossa pesquisa, nos concentramos na análise teórica e experimental mais precisa dos fenômenos físicos e químicos em suspensões nas quais pulsos de luz laser foram absorvidos por nanopartículas de cobre e seus óxidos", explica a Dra. Zaneta Swiatkowska-Warkocka (IFJ PAN).

No caso de partículas de solução real, o aumento da temperatura ocorre em nanossegundos, demasiado rápido para ser medido. Nesta situação, as análises teóricas de dinâmica molecular tornaram-se o primeiro passo na compreensão dos sistemas de cobre em estudo, apoiadas em fases posteriores por simulações realizadas pelo cluster de computadores Prometheus de Cracóvia.

Graças a isso, os pesquisadores determinaram a que temperaturas os aglomerados de vários tamanhos aqueceriam e quais compostos poderiam se formar nesses processos. Além disso, verificaram se esses compostos seriam termodinamicamente estáveis ​​ou sofreriam outras transformações. Os físicos utilizaram o conhecimento adquirido para preparar uma série de experimentos nos quais nanopartículas de cobre e seus óxidos foram fundidas a laser em diversas proporções.

Os materiais compósitos obtidos foram testados nos laboratórios do IFJ PAN e no ciclotron SOLARIS de Cracóvia, entre outros, para determinar o grau de oxidação dos compostos de cobre. As informações obtidas permitiram aos pesquisadores identificar o catalisador ideal. Acabou sendo um sistema de três componentes construído a partir de proporções apropriadas de cobre e seus óxidos do primeiro e segundo estado de oxidação (ou seja, Cu₂ O e CuO).

“Do ponto de vista da eficiência da catálise do etanol, a descoberta crucial foi que as partículas de óxido de cobre Cu₂ O₃ , que geralmente é termodinamicamente muito instável, estavam presentes em nosso material. Por um lado, são caracterizados por um grau de oxidação extremamente elevado, por outro lado, encontramos-nos principalmente na superfície do Cu₂ O partículas, o que na prática significa que tiveram um contato muito bom com a solução. São estes Cu₂ O₃ partículas que facilitam a adsorção das moléculas de álcool e a quebra das ligações carbono-hidrogênio nelas", afirma o Dr. Shakeri.

Os testes sobre as propriedades do catalisador produzido pelos físicos de Cracóvia terminaram com resultados otimistas. O compósito selecionado manteve a capacidade de oxidar totalmente o etanol mesmo após várias horas de uso. Além disso, a sua eficiência eletrocatalítica provou ser comparável à dos catalisadores de platina contemporâneos.

Do ponto de vista científico, este resultado é positivamente surpreendente. A catálise geralmente prossegue de forma mais eficiente quanto maior for a área superficial dos aglomerados, o que tem a ver com a fragmentação da sua estrutura. No entanto, o compósito estudado não tinha tamanho nanométrico, mas várias ordens de grandeza maiores, de tamanho submícron. Parece provável, portanto, que se os físicos conseguirem reduzir o tamanho das partículas no futuro, a eficiência do novo catalisador poderá aumentar ainda mais.

Mais informações: Mohammad Sadegh Shakeri et al, Fusão-Solidificação Local Alternativa de Nanopartículas Suspensas para Formação de Heteroestrutura Habilitada por Irradiação a Laser Pulsada, Materiais Funcionais Avançados (2023). DOI:10.1002/adfm.202304359
Informações do diário: Materiais Funcionais Avançados

Fornecido pela Academia Polonesa de Ciências