quarta-feira, 17 de outubro de 2018

Catalisador novo e durável para células de combustível de veículos ecológicos

O fator principal que impede o uso generalizado de células de combustível de hidrogênio ecologicamente limpas, 0% de emissões, em carros, camiões e outros veículos é o custo dos catalisadores de platina que fazem as células funcionarem. Uma maneira para ultrapassar este problema seria usar uma liga de platina com outros metais mais baratos, mas esses catalisadores degradam-se rapidamente.



Agora, uns cientistas da Brown University desenvolveram um novo catalisador construído com uma liga  que reduz o uso de platina e suportou bem os testes nas células de combustível. O catalisador, feito de uma liga de platina com cobalto em nano partículas, mostrou superar as metas do Departamento de Energia (DOE) dos EUA para o ano de 2020, tanto em reatividade quanto em durabilidade, de acordo com testes descritos na revista Joule .

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  1. "A durabilidade dos catalisadores de ligas de metais é um grande problema", disse Junrui Li, um estudante de pós-graduação em química da Brown e principal autor do estudo. "Foi demonstrado que as ligas têm desempenho melhor do que a platina pura, mas nas condições, dentro de uma célula de combustível, a parte de metal não precioso do catalisador oxida e fica lixiviada muito rapidamente".



Para resolver esse problema de lixiviação, a equipa desenvolveu nano partículas de liga com uma estrutura especializada. As partículas têm um invólucro externo de platina pura em volta de um núcleo feito de camadas alternadas de átomos de platina e cobalto. Essa estrutura central em camadas é a chave para a reatividade e a durabilidade do catalisador.

  • "A construçao em camadas de átomos no núcleo ajuda a suavizar e apertar a rede de platina na camada externa", disse Sun. "Isso aumenta a reatividade da platina e ao mesmo tempo protege os átomos de cobalto de serem consumidos durante a reação. É por isso que essas partículas têm um desempenho muito superior ao das partículas de ligas com átomos aleatórios de metal."




Os detalhes de como a estrutura ordenada aumenta a atividade do catalisador são descritos resumidamente no artigo de ´´Joule`` , mas é explicado mais especificamente num artigo de modelagem computacional publicado no Journal of Chemical Physics. O trabalho de modelagem foi liderado por Andrew Peterson, professor associado da Brown School of Engineering, que também foi coactor do artigo de Joule .



Para o trabalho experimental, os investigadores testaram a capacidade do catalisador para realizar a reação de redução de oxigénio, que é fundamental para o desempenho e durabilidade da célula de combustível. Num lado de uma célula de combustível de membrana de troca de prótons (PEM), os elétrons retirados do combustível de hidrogênio criam uma corrente que aciona um motor elétrico. Do outro lado da célula, os átomos de oxigénio absorvem esses elétrons para completar o circuito. Isso é feito através da reação de redução de oxigénio.

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Os testes iniciais mostraram que o catalisador teve um bom desempenho no ambiente de laboratório, superando um catalisador de platina. O novo catalisador manteve sua atividade após 30.000 ciclos de tensão, enquanto o desempenho do catalisador tradicional caiu significativamente.



Mas, embora os testes de laboratório sejam importantes para avaliar as propriedades de um catalisador, os técnicos afirmam que não demonstram necessariamente o bom funcionamento do catalisador numa célula de combustível real. O ambiente da célula de combustível é muito mais quente e difere em acidez em comparação com os ambientes de teste de laboratório, o que pode acelerar a degradação do catalisador. Para descobrir como o catalisador se manteria nesse ambiente, os investigadores enviaram o catalisador para o Laboratório Nacional de Los Alamos para testes numa célula de combustível real.

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O teste mostrou que o catalisador supera as metas estabelecidas pelo Departamento de Energia (DOE). O DOE tinha proposto aos investigadores para desenvolverem catalisadores com uma atividade inicial de 0,44 amperes por miligrama de platina até 2020, e uma atividade de pelo menos 0,26 ampères por miligrama após 30.000 ciclos de voltagem (aproximadamente equivalente a cinco anos de uso num veículo com célula de combustível). O teste do novo catalisador mostrou que ele tinha uma atividade inicial de 0,56 amperes por miligrama e uma atividade após 30.000 ciclos de 0,45 amperes.

  • "Mesmo depois de 30.000 ciclos, nosso catalisador ainda excedeu o alvo do DOE para a atividade inicial", disse Sun. "Esse tipo de performance num ambiente de célula de combustível do mundo real é realmente promissor".

Os investigadores já solicitaram uma patente provisória do o catalisador e vão continuar a desenvolvê-lo.



Fonte//ScienceDaily

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