Tecnologia Científica

Catalisadores de átomo único de alto desempenho para células de combustível de alta temperatura
Catalisadores à base de platina (Pt) demonstram excelente desempenho em reações de eletrodo de célula de combustível . Os catalisadores de Pt de átomo único são interessantes devido à sua funcionalidade única.
Por Conselho Nacional de Pesquisa de Ciência e Tecnologia - 25/09/2020


Diagrama conceitual de catalisador de átomo único desenvolvido por pesquisadores do KIST. Crédito: Instituto de Ciência e Tecnologia da Coreia (KIST)

Ao contrário das baterias secundárias que precisam ser recarregadas, as células de combustível são um tipo de sistema de geração de energia ecologicamente correto que produz eletricidade diretamente de reações eletroquímicas usando hidrogênio como combustível e oxigênio como oxidante. Existem vários tipos de células de combustível, diferindo em temperaturas de operação e materiais eletrolíticos. As células a combustível de óxido sólido (SOFCs), que usam um eletrólito de cerâmica, estão recebendo cada vez mais atenção. Por operarem em altas temperaturas em torno de 700 graus Celsius, oferecem a maior eficiência entre os tipos de células a combustível e também podem ser usadas para produzir hidrogênio por decomposição a vapor. Para a comercialização desta tecnologia, é necessário melhorar ainda mais o desempenho da célula, e novos materiais catalisadores de alta temperatura são altamente esperados.

Catalisadores à base de platina (Pt) demonstram excelente desempenho em reações de eletrodo de célula de combustível . Os catalisadores de Pt de átomo único são interessantes devido à sua funcionalidade única. No entanto, em altas temperaturas, os átomos de Pt não são estáveis ​​e se aglomeram facilmente. Portanto, os catalisadores de átomo único de Pt têm sido usados ​​apenas em células a combustível de baixa temperatura , como células a combustível de membrana eletrolítica de polímero, que são usadas para veículos elétricos de hidrogênio.

Uma equipe de pesquisa desenvolveu agora um catalisador que requer apenas uma pequena quantidade de platina para uma melhoria significativa de desempenho e pode operar de forma estável em altas temperaturas. O Dr. Kyung-Joong Yoon e o pesquisador Ji-Su Shin do Center for Energy Materials Research, juntamente com o professor Yun Jung Lee da Hanyang University, desenvolveram um catalisador de Pt de átomo único que pode ser usado para SOFCs.

"O catalisador desenvolvido neste estudo pode ser aplicado a uma ampla variedade de células de combustível de óxido sólido e dispositivos eletroquímicos de alta temperatura usando um processo fácil e simples de baixo custo, portanto, espera-se que acelerar o desenvolvimento de geração de energia ecológica de próxima geração e dispositivos de armazenamento de energia. Com base no fato de que o catalisador de átomo único pode operar de forma estável mesmo a 700 graus Celsius ou mais, seus campos de aplicação serão amplamente expandidos, incluindo alta temperatura reações termoquímicas e reações eletroquímicas de alta temperatura. "


Em sua pesquisa, átomos inteiros de platina são distribuídos uniformemente e funcionam individualmente sem aglomeração, mesmo em altas temperaturas. Foi demonstrado experimentalmente que aumenta a taxa de reação do eletrodo em mais de 10 vezes. Ele também pode operar por mais de 500 horas, mesmo em altas temperaturas de até 700 graus Celsius e melhora a geração de energia elétrica e o desempenho da produção de hidrogênio em três a quatro vezes. Espera-se que acelere a comercialização de células a combustível de óxido sólido (SOFCs), a próxima geração de células a combustível ecologicamente corretas.

(esquerda) eletrodo de célula de combustível de óxido sólido (centro) um catalisador de
átomo único formado na superfície dentro do eletrodo. (direita) átomo de platina disperso
na superfície catalítica (ponto brilhante: átomo de platina). Crédito: Instituto de
Ciência e Tecnologia da Coreia (KIST)

A equipe de pesquisa da Universidade KIST-Hanyang fez o catalisador de átomo único combinando átomos de platina e nanopartículas de óxido de cério (Ce). Cada átomo de platina é individualmente disperso na superfície das nanopartículas de óxido de cério, e a ligação forte mantém o estado disperso dos átomos por um longo período de tempo, mesmo em altas temperaturas, o que permite que todos os átomos de platina sejam envolvidos na reação. Isto, por sua vez, torna possível melhorar substancialmente a taxa de reação do eletrodo, minimizando a quantidade de platina usada.

Para a fabricação, uma solução contendo íons platina e cério é injetada no eletrodo da SOFC, e os catalisadores são sintetizados enquanto a célula a combustível está operando em alta temperatura. Como a injeção no eletrodo pode ser realizada facilmente sem qualquer equipamento especial, o catalisador recém-desenvolvido pode ser aplicado prontamente aos processos de fabricação de células de combustível existentes .

O Dr. Kyung-Joong Yoon da KIST disse: "O catalisador desenvolvido neste estudo pode ser aplicado a uma ampla variedade de células de combustível de óxido sólido e dispositivos eletroquímicos de alta temperatura usando um processo fácil e simples de baixo custo, portanto, espera-se que acelerar o desenvolvimento de geração de energia ecológica de próxima geração e dispositivos de armazenamento de energia. Com base no fato de que o catalisador de átomo único pode operar de forma estável mesmo a 700 graus Celsius ou mais, seus campos de aplicação serão amplamente expandidos, incluindo alta temperatura reações termoquímicas e reações eletroquímicas de alta temperatura. "

 

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