O cobalto pode substituir a platina nas células de combustível

Testando o catalisador à base de cobalto. (Imagem de Andrea Starr, do Pacific Northwest National Laboratory).

Uma equipe liderada por pesquisadores do Pacific Northwest National Laboratory nos Estados Unidos projetou um catalisador altamente ativo que contém cobalto intercalado com nitrogênio e carbono e, portanto, não depende da platina para estimular a reação química necessária.

Em um artigo publicado na revista Nature Catalysis, os cientistas dizem que sua invenção é quatro vezes mais durável do que catalisadores de estrutura semelhante feitos de ferro - outro substituto da platina.

De acordo com o artigo, as descobertas são promissoras para células de combustível no transporte, já que as células de combustível de membrana de troca de prótons emparelhadas com hidrogênio requerem catalisadores muito ativos para que a reação química ocorra - a reação de redução de oxigênio que faz uma célula de combustível funcionar com eficiência.

Os pesquisadores começaram a olhar para o cobalto porque, embora os metais do grupo da platina tendam a ser o material catalisador mais comum para células de combustível PEM, é muito caro, enquanto outras opções, como metais de transição, se degradam rapidamente no combustível ácido da membrana de troca de prótons.

“Sabíamos que a configuração do cobalto com nitrogênio e carbono era a chave para a eficácia da reação do catalisador e que a densidade do local ativo era extremamente importante para o desempenho”, disse Yuyan Shao, principal autor do estudo, em comunicado à mídia. “Nosso objetivo era realmente melhorar a atividade de reação dos catalisadores à base de cobalto.”

Shao explicou que ele e sua equipe imobilizaram moléculas à base de cobalto nos microporos de estruturas de imidazolato zeolítico, que serviam como cercas protetoras para diminuir a mobilidade dos átomos de cobalto e evitar que se agrupassem. Eles então usaram a pirólise de alta temperatura para converter os átomos em sítios cataliticamente ativos dentro da estrutura.

Dentro dessa estrutura, eles descobriram que a densidade dos sítios ativos aumentava significativamente, aumentando, por sua vez, a atividade da reação. Isso atingiu a atividade mais alta em células de combustível relatada para catalisadores isentos de metal do grupo da platina sem ferro até o momento.

A equipe também descobriu, pela primeira vez, diferenças significativas na desmetalização, onde os íons metálicos são lixiviados do catalisador e esse catalisador perde atividade. Eles também descobriram que os radicais de oxigênio do peróxido de hidrogênio, um subproduto da redução do oxigênio nas células de combustível, atacam os catalisadores e causam perda de desempenho.

“No final, fomos capazes não apenas de melhorar a atividade do catalisador à base de cobalto, mas melhoramos significativamente a durabilidade”, disse Shao.

“Nossa investigação mais aprofundada nos levou a descobrir os mecanismos que normalmente degradam esses tipos de catalisadores.”