Um catalisador ligando platina com uma terra rara

Imprensa da Universidade de Tsinghua

imagem: Nanopartículas de platina-lantânio atuando como eletrocatalisadores para acelerar a reação química em uma célula a combustível de hidrogênio para produzir eletricidade e águaVeja mais

Crédito: Nano Research, Tsinghua University Press

Os investigadores desenvolveram um método para combinar platina de alto custo e um elemento de terras raras de baixo custo, o lantânio, como uma liga para servir como catalisador na próxima geração de células de combustível que irão melhorar o seu desempenho e reduzir os seus custos. O desenvolvimento deverá facilitar a descarbonização dos veículos de transporte pesado que são menos receptivos à utilização de baterias para os alimentar.

O método é descrito em um artigo publicado na revista Nano Research em 22 de setembro de 2022.

As baterias podem ter vencido a batalha contra as células de combustível de hidrogênio para alimentar carros de forma limpa, mas uma série de outras formas de transporte têm dificuldade em trocar motores de combustão interna por baterias devido a uma série de obstáculos, como o peso e o volume das baterias que seriam ser necessários para o tipo de serviços que prestam. Isto é particularmente verdadeiro para o transporte pesado, como transporte marítimo, aviação e transporte rodoviário de longa distância. Nestes casos, a maioria dos analistas dos transportes sugere que é provável que dependam de algum tipo de combustível limpo.

Uma célula de combustível é capaz de alimentar veículos e outras máquinas, transformando a energia química do hidrogênio em eletricidade, sendo as únicas outras saídas água e calor. Até agora, o tipo de célula de combustível mais utilizado em vários dispositivos, desde satélites até ao vaivém espacial, tem sido a célula de combustível alcalina, cuja invenção remonta a quase um século. É mais provável que a próxima geração se pareça com uma célula de combustível de membrana eletrolítica de polímero, que também utiliza hidrogénio para produzir eletricidade, mas é muito mais compacta, o que a torna especialmente atrativa para veículos de transporte pesado.

A chave para tornar essas reações eletroquímicas mais eficientes – e assim reduzir o custo das células de combustível para torná-las mais competitivas com a utilização de combustíveis fósseis – é encontrar melhores catalisadores, materiais que acelerem essas reações.

Infelizmente, de todos esses “eletrocatalisadores” que tornam possível a principal reação química envolvida (a reação de redução de oxigênio, ou ORR), a platina é de longe o melhor. E a platina, um metal raro, não é barata. Para os PEMFCs em particular, o custo incrivelmente elevado da platina tem sido uma grande barreira à sua adopção. A rápida degradação após um número relativamente pequeno de ciclos de utilização deste eletrocatalisador já caro no ambiente PEMFC altamente corrosivo só piorou a situação.

“Portanto, a busca por um eletrocatalisador que seja de baixo custo, mais resistente à degradação e, portanto, estável por longos períodos de tempo, ao mesmo tempo que forneça uma densidade de corrente impressionante – em outras palavras, a quantidade de corrente elétrica por unidade de volume”, disse Siyuan Zhu, um dos autores do artigo e eletroquímico do Instituto de Química Aplicada de Changchun da Academia Chinesa de Ciências, “permitindo-nos assim cumprir a promessa da compactação dos PEMFCs”.

A principal opção que tem sido considerada para redução de custos é “diluir” a quantidade de platina necessária como eletrocatalisador, ligando-a com outros metais mais baratos que podem ajudar ou mesmo melhorar as propriedades catalíticas da platina.

E os principais candidatos à liga com platina têm sido até agora os chamados metais de transição tardia. Metais de transição são aqueles elementos que você encontra no meio, ou bloco d, da Tabela Periódica. Ferro, manganês e cromo são metais de transição no meio desse bloco intermediário, e os metais de transição “tardios”, como cádmio e zinco, podem ser encontrados no lado direito dele.

No entanto, os metais de transição tardia provaram não ser imunes à dissolução no ambiente PEMFC agressivo e corrosivo. Isto não só resulta em declínios constantes no desempenho, mas o metal dissolvido reage ainda mais com subprodutos da reação de redução de oxigênio, causando danos incontroláveis ​​a todo o sistema.