Pesquisadores desenvolvem catalisador seletivo que inibe a corrosão em células de combustível automotivas

Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Yong-Tae Kim e pelo candidato a doutorado Sang-Hoon You da Pohang University Of Science & Technology (POSTECH) desenvolveu um catalisador seletivo que inibe a corrosão em células de combustível usadas em automóveis movidos a hidrogênio.

Ao adaptar a reação de oxidação do hidrogênio para corresponder à concentração de hidrogênio na célula de combustível, a equipe conseguiu impedir a corrosão das células de combustível. A pesquisa foi publicada na ACS Energy Letters.

As células de combustível são suscetíveis a inúmeros fatores que deterioram sua durabilidade. Um deles é a degradação, principalmente no catalisador catódico, que é rotineiramente exposto a eventos de partida e desligamento em automóveis. Durante a operação normal do veículo, as células de combustível recebem um suprimento consistente de hidrogênio com alta concentração, mas a concentração de hidrogênio diminui temporariamente quando o carro é desligado ou ligado. Consequentemente, quando o ar externo se mistura com o hidrogênio dentro das células de combustível, uma reação não intencional de redução de oxigênio no ânodo é desencadeada, levando a saltos repentinos de potencial e corrosão do carbono no cátodo.

Esquerda. Na figura, está representado o transbordamento de hidrogênio, em que o TiO2 sofre transformação em TiOOH em condições de alta concentração de hidrogênio, o que promove a mobilidade do hidrogênio na superfície e, consequentemente, produz condutividade. Certo. A figura mostra que sob condições de concentração de hidrogênio relativamente baixas, a forte interação entre Pt e TiO2 leva à cobertura de Pt por TiO2. Crédito: POSTECH

A equipe de pesquisa desenvolveu um catalisador (Pt/TiO2), composto de platina (Pt) depositada sobre dióxido de titânio (TiO2), que interrompe com eficiência a corrosão em células de combustível usadas em automóveis movidos a hidrogênio. O desempenho deste eletrocatalisador vem da interação robusta entre o dióxido de titânio e a platina e a capacidade do derramamento de hidrogênio de modificar a condutividade da superfície do material em resposta à concentração de hidrogênio em sua vizinhança.

Quando um veículo para ou dá partida repentinamente, a concentração de hidrogênio no combustível diminui correspondentemente. Como consequência dessa redução na concentração de hidrogênio, há uma expansão do dióxido de titânio sobre a platina, o que faz com que a platina fique enterrada sob a superfície do catalisador. Esse soterramento da platina, causado pela expansão do dióxido de titânio, acaba por transformar o catalisador em isolante devido à baixa condutividade do dióxido de titânio.

Esse efeito isolante dificulta a capacidade do catalisador de conduzir eletricidade, evitando assim uma redução indesejada de oxigênio que poderia causar saltos repentinos de potencial no cátodo.

Por outro lado, durante a operação padrão, a concentração de hidrogênio permanece alta. Sob tais condições de alta concentração de hidrogênio, a platina altamente condutora é exposta na superfície do catalisador e ocorre a redução do dióxido de titânio, o que promove a mobilidade do hidrogênio na superfície do catalisador. Esse fenômeno, denominado transbordamento de hidrogênio, aumenta o fluxo de corrente e aumenta a reação de oxidação do hidrogênio.

A equipe de pesquisa também realizou um teste de simulação para comparar o catalisador recém-desenvolvido e os catalisadores convencionais. Os resultados dos testes demonstraram que as células a combustível com catalisador Pt/TiO2 apresentaram durabilidade três vezes maior em relação às células a combustível tradicionais.

Este estudo foi conduzido com o apoio do Future Material Discovery Program, do Hydrogen Energy Innovative Technology Development Project e do Mid-career Researcher Program da National Research Foundation of Korea.

Recursos

Sang-Hoon You, Sang-Mun Jung, Kyu-Su Kim, Jinhyeon Lee, Jinkyu Park, Ho Yeon Jang, Sangyong Shin, Hyunjoo Lee, Seoin Back, Jinwoo Lee e Yong-Tae Kim (2023) "Durabilidade aprimorada do setor automotivo Células de combustível via implementação de seletividade por derramamento de hidrogênio na superfície do eletrocatalisador" ACS Energy Letters 8 (5), 2201-2213 doi: 10.1021/acsenergylett.2c02656