Há uma necessidade urgente de abordar as alterações climáticas, tornando o desenvolvimento de alternativas energéticas sustentáveis ​​mais importante do que nunca. Embora as células a combustível de membrana de troca de prótons (PEMFCs) tenham se mostrado muito promissoras para a produção de energia, especialmente na indústria de transportes, há um problema de longa data com sua durabilidade e custo.



Uma equipa de investigação ocidental abordou a questão com um novo nanomaterial modificado com cobalto que torna os PEMFCs mais robustos, de fácil obtenção e ambientalmente sustentáveis, demonstrando apenas uma perda de 2% na taxa de eficiência após 20.000 ciclos num teste de durabilidade.

O novo nanomaterial é usado para melhorar a reação de redução de oxigênio (ORR), o processo que forma água na célula de combustível, permitindo uma corrente mais alta para uma geração de energia mais eficiente. O nanomaterial modificado com cobalto também reduz a dependência da platina para construir essas células de combustível. Um metal precioso caro, extraído principalmente na África do Sul, apenas algumas centenas de toneladas de platina são produzidas anualmente.

Tsun-Kong (T.K.) Sham, Xueliang (Andy) Sun, Ali Feizabadi e seus colaboradores do departamento de química e engenharia ocidental da Western apresentaram o novo catalisador ORR modificado com cobalto no The Journal of Physical Chemistry C.

"Abordagens de ponta, incluindo a liga de platina com outros metais de transição e a criação de estruturas núcleo-invólucro, apresentam possibilidades interessantes, reduzindo a demanda por platina em células de combustível, mantendo ao mesmo tempo uma atividade catalítica excepcional", disse Sham, Cátedra de Pesquisa em Materiais e Radiação Síncrotron do Canadá. e um autor sênior do estudo. "Mas, apesar do progresso significativo, o calcanhar de Aquiles continua a ser a durabilidade destes catalisadores devido a estruturas inerentemente instáveis."

A equipe de Sham e Sun usou um método chamado 'dopagem com cobalto' para modificar as áreas superficiais e próximas à superfície das nanopartículas núcleo-invólucro de platina-paládio.

"Doping é a prática de introduzir quantidades muito pequenas de átomos estranhos específicos na estrutura cristalina de uma nanopartícula para modificar suas propriedades eletrônicas. Esses átomos estranhos são chamados de dopantes", disse Feizabadi, ex-analista de pesquisa do grupo de pesquisa Sham e principal autor do estudo.

As novas nanopartículas dopadas com cobalto demonstram estabilidade excepcional, suportando apenas uma perda de 2% na atividade inicial após “extenuantes” 20.000 ciclos de um teste de durabilidade acelerado, usado para obter insights mais profundos sobre os mecanismos de degradação de catalisadores em ambientes laboratoriais controlados.

"Isso ressalta o papel notável do cobalto no aumento da atividade catalítica e no reforço da integridade estrutural do catalisador", disse Sham, líder global no desenvolvimento de novas técnicas espectroscópicas de raios X.

Para uma melhor compreensão do comportamento e da composição do catalisador, a equipe de pesquisa estudou as novas nanopartículas usando a linha de luz de microanálise de raios X dura na Canadian Light Source, a instalação nacional de fonte de luz síncrotron do Canadá na Universidade de Saskatchewan.

As nanopartículas também foram analisadas na Advanced Photon Source em Lemont, Illinois e na Taiwan Photon Source para o estudo.

"Essas nanopartículas dopadas com cobalto são imensamente promissoras como catalisadores ORR altamente eficientes e duradouros, representando um avanço significativo no domínio da tecnologia de células de combustível", disse Sun, professor de Engenharia Ocidental e principal especialista em nanomateriais e energia limpa.

"Esta abordagem abrangente lança uma nova luz sobre o comportamento e a estrutura do catalisador, aproximando-nos um passo de soluções energéticas sustentáveis."

Mais informações: Ali Feizabadi et al, Nanopartículas Core-Shell Pd@Pt Dopadas com Cobalto:Um Estudo Correlativo de Estrutura Eletrônica e Atividade Catalítica em ORR, The Journal of Physical Chemistry C (2023). DOI:10.1021/acs.jpcc.3c04274
Informações do diário: Jornal de Físico-Química C

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