A fabricação e a implantação de veículos híbridos e elétricos estão em ascensão, contribuindo para os esforços contínuos de descarbonização do setor de transportes. Embora carros e veículos menores possam ser alimentados por baterias de lítio, a eletrificação de veículos pesados, como caminhões e ônibus de grande porte, tem se mostrado muito mais desafiadora até o momento.

Células de combustível , dispositivos que geram eletricidade por meio de reações químicas , são soluções promissoras para alimentar veículos pesados. A maioria das células de combustível empregadas até o momento são as chamadas células de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFCs), células que geram eletricidade por meio da reação de hidrogênio e oxigênio, conduzindo prótons do ânodo ao cátodo utilizando uma membrana de polímero sólido.

Apesar do seu potencial, muitas células de combustível existentes têm vida útil e eficiência limitadas. Essas limitações, até o momento, dificultaram sua ampla adoção na fabricação de caminhões, ônibus e outros veículos pesados elétricos ou híbridos.

Um grupo de pesquisa da Universidade da Califórnia, Los Angeles (UCLA), liderado pelo Professor Yu Huang, projetou recentemente um novo nanocatalisador à base de platina (Pt) , um material que acelera reações químicas e pode ajudar a melhorar a eficiência e a durabilidade das células de combustível. Este catalisador, apresentado em um artigo publicado na Nature Nanotechnology , consiste em nanopartículas de Pt, protegidas por nanobolsos de grafeno e suportadas por uma forma de carbono conhecida como Ketjenblack.

"Nossa pesquisa surgiu da necessidade urgente de descarbonizar veículos pesados (VHDs), como caminhões de longa distância, que exigem maior autonomia operacional e durabilidade", disse Huang, autor sênior do artigo. "As células de combustível representam uma solução promissora para a eletrificação de VHDs devido à sua densidade de energia específica de massa superior à das baterias. No entanto, um grande obstáculo é a estabilidade do catalisador."

A platina e outras ligas metálicas tipicamente utilizadas na fabricação de catalisadores para PEMFCs tendem a se dissolver gradualmente e alguns de seus átomos são redepositados em outras partículas, fazendo com que elas se tornem maiores. Esse processo reduz a área do catalisador que pode acelerar as reações em células de combustível, causando, em última análise, a redução de seu desempenho ao longo do tempo.

"Motivada por esse desafio, nossa equipe na UCLA desenvolveu um catalisador à base de Pt com uma estrutura inovadora, protetora e permeável", disse Huang. "Nosso principal objetivo era projetar uma arquitetura de catalisador que prevenisse eficazmente a dissolução do metal e mantivesse alta atividade catalítica durante o uso prolongado."

O nanocatalisador à base de Pt desenvolvido por Huang e seus colegas possui um design exclusivo que retarda sua degradação ao longo do tempo. O catalisador consiste em nanopartículas ultrafinas de Pt encapsuladas em camadas finas e protetoras de grafeno, conhecidas como nanobolsos de grafeno.

Este estudo recente apresentou um catalisador alternativo que pode aumentar o desempenho e a durabilidade das células de combustível, já que não se deteriora rapidamente como muitos catalisadores lançados no passado. Em testes iniciais, o novo nanocatalisador à base de Pt apresentou resultados muito promissores, visto que as células de combustível que o incorporaram apresentaram estabilidades sem precedentes, mantendo, ao mesmo tempo, alta atividade catalítica e eficiência.

"O catalisador demonstrou um desempenho excepcional, incluindo uma atividade de massa inicial de 0,74 A mg?¹ e uma densidade de potência nominal de 1,08 W cm?²", disse Bosi Peng, coautor do artigo. "Notavelmente, o catalisador apresentou perda de potência inferior a 1,1% após passar por um rigoroso teste de estresse acelerado de 90.000 ciclos de voltagem. Essas métricas sugerem uma vida útil projetada para a célula de combustível superior a 200.000 horas, superando significativamente as metas atuais do Departamento de Energia para células de combustível de alta resistência."

No futuro, o novo catalisador projetado por Huang e seus colegas poderá ser usado para desenvolver novas células de combustível à base de hidrogênio, de alto desempenho e durabilidade. Essas células de combustível poderão, por sua vez, ser usadas para alimentar diversos veículos pesados, contribuindo assim para os esforços contínuos de redução das emissões de carbono.

"Nosso estudo representa um avanço significativo na redução de emissões e no aumento da economia de combustível em setores de transporte que contribuem fortemente para o consumo de energia e o impacto ambiental", acrescentou Huang. "Além de aprimorar ainda mais a atividade e a durabilidade do catalisador de platina, pretendemos concentrar pesquisas futuras na otimização de toda a estrutura do eletrodo do catalisador para aprimorar ainda mais o desempenho da célula de combustível."

"O desenvolvimento de materiais avançados de suporte de carbono, arquitetura inovadora de eletrodos e componentes de ionômeros aprimorados será igualmente crucial, pois influenciam significativamente o desempenho de alta densidade de corrente e a estabilidade geral da célula de combustível."

O grupo de pesquisa de Huang na UCLA está conduzindo pesquisas adicionais com o objetivo de aprimorar e avançar as células de combustível . Seus esforços estão atualmente focados no aprimoramento de conjuntos de eletrodos de membrana, o componente central das PEMFCs.