As células de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFCs), geralmente chamados de “bancos de energia de hidrogênio”, são dispositivos de energia limpa que geram eletricidade a partir de hidrogênio e oxigênio com apenas água como subproduto. Caracterizados por alta eficiência, start-up rápida e emissões zero, eles têm grande promessa em transporte, eletrônica portátil e geração estacionária de energia. Infelizmente, os PEMFCs atualmente dependem muito de platina escassa e cara como catalisador, tornando impraticável a adoção generalizada.
Agora, no entanto, uma equipe de cientistas chineses desenvolveu um catalisador baseado em ferro de alto desempenho para essas células de combustível que poderia potencialmente reduzir a dependência da platina. O novo design, descrito como “ativação interna, proteção externa”, permite a eficiência recorde e a durabilidade a longo prazo.
As descobertas foram publicadas em Natureza.
Os catalisadores tradicionais de Fe/NC normalmente dependem da superfície externa do grafeno ou do carbono suportes, limitando a exposição de locais ativos e dificultando sua aplicação prática. Em geral, os PEMFCs também foram dificultados por uma ligação excessivamente forte com intermediários de oxigênio, pouca cinética de reação e vulnerabilidade a reações de fenton em ambientes oxidativos (por exemplo, h2O2 e · oh), levando à lixiviação de steel e degradação do desempenho.
Para enfrentar esses desafios, a equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Dan Wang (atualmente na Universidade de Shenzhen) e pelo Prof. Zhang Suojiang, do Instituto de Engenharia de Processos da Academia de Ciências Chinesas, desenvolveram uma estrutura de Fe Multsishelled (CS) com uma troca de ferro (HOM) com uma estrutura de ferro (HOM). Cada partícula nano oca, cerca de 10 nm × Com 4 nm de tamanho, consiste em múltiplas conchas onde os átomos de Fe estão concentrados nas camadas internas em alta densidade.
Este catalisador é composto de numerosos nano homs dispersos em camadas de carbono 2D, com locais de átom de ferro único incorporados principalmente na superfície curva interna dos nano-homs. A camada de carbono grafitizada externa dos nano homs não apenas efetivamente enfraquece a resistência à ligação dos intermediários de reação oxigenada, mas também reduz a taxa de produção de radicais hidroxila, formando uma distinta “ativação interna, de proteção externa” microambiente. O catalisador FE/NC fornece um dos PEMFCs sem metal-metal-grupo com melhor desempenho.
A espectroscopia de absorção de raios-X do sincrotron revelou que esses átomos de Fe internos exibem predominantemente um estado de oxidação de +2 e um fen4C10 Estrutura de coordenação. A espectroscopia de Mössbauer confirmou ainda que 57,9% dos locais de Fe estão em um estado de D1 de baixa rotação cataliticamente ativo.
Cálculos teóricos mostraram que o aumento da curvatura sozinho fortalece a ligação intermediária e dificulta a dessorção, reduzindo assim a atividade catalítica. No entanto, a introdução de uma concha externa de carbono dopada com nitrogênio com vagas de Fe induz uma repulsão eletrostática significativa (0,63-1,55 eV) entre os átomos de nitrogênio da camada externa e os átomos de oxigênio dos intermediários adsorvidos na concha interna. Essa repulsão enfraquece a força de ligação, quebra a relação de escala linear entre ΔG*OHΔG*Oe ΔG*Oohe aumenta significativamente o desempenho catalítico.
Segundo os pesquisadores, o catalisador alcançou uma redução de oxigênio superpotencial tão baixa quanto 0,34 V, o que é muito melhor que o da estrutura planar. Também suprimiu a formação de peróxido de hidrogênio e melhor seletividade e durabilidade. Além disso, entregou uma densidade de potência recorde de 0,75 W cm-2 abaixo de 1,0 bar h2-Air com 86% de retenção de atividades após mais de 300 horas de operação contínua.
Este trabalho estabelece um novo tipo de CS Fe/NC para catálise de redução de oxigênio altamente ativa e durável em células de combustível. A camada de NC externa grafitada enfraquece efetivamente a força de ligação dos intermediários oxigenados e suprime a geração OH, melhorando assim tanto a atividade quanto a estabilidade. Ele fornece um novo paradigma para o desenvolvimento de catalisadores de alto desempenho para o eletrocatalisador de próxima geração.
