Pesquisadores da Universidade de Tohoku desenvolveram um novo método para prever o desempenho de catalisadores moleculares de metal-nitrogênio-carbono (MNC), que são essenciais para o avanço da tecnologia de células de combustível. O estudo destaca uma nova ferramenta preditiva que se baseia em simulações de computador para estudar as interações entre campos elétricos e níveis de pH. Este avanço proporciona um caminho mais eficiente para o desenvolvimento de catalisadores que operem eficazmente em diferentes condições ambientais, potencialmente superando um dos principais obstáculos na adoção generalizada da tecnologia de células de combustível.
Pesquisadores da Universidade de Tohoku desenvolveram um método para prever o desempenho de novos catalisadores para células de combustível, acelerando potencialmente o desenvolvimento de soluções de energia limpa mais eficientes.
Pesquisadores da Universidade de Tohoku criaram um meio confiável de prever o desempenho de um novo e promissor tipo de catalisador. A sua descoberta irá acelerar o desenvolvimento de catalisadores eficientes para ambientes alcalinos e ácidos, poupando assim tempo e esforço em esforços futuros para criar melhores células de combustível.
Detalhes de sua pesquisa foram publicados recentemente na revista Ciência Química.
Estruturas de catalisadores moleculares de Fe-Azaftalocianinas (AzPc) de cadeia longa. Após relaxações geométricas DFT com mais de 650 átomos, surgiram diferentes “padrões de dança” devido às diversas interações entre as cadeias laterais moleculares e o substrato de grafeno. Crédito: Hao Li, Hiroshi Yabu et al.
A tecnologia de células de combustível tem sido frequentemente apontada como uma solução promissora para energia limpa; no entanto, problemas com a eficiência do catalisador impediram a sua ampla adoção.
Os catalisadores moleculares de metal-nitrogênio-carbono (MNC) apresentam propriedades estruturais distintas e excelente desempenho eletrocatalítico, particularmente para a reação de redução de oxigênio (ORR) em células de combustível. Eles oferecem uma alternativa econômica aos catalisadores à base de platina.
Propriedades exclusivas de catalisadores MNC
Uma dessas variantes de catalisadores MNC é a azaftalocianina dopada com metal (AzPc). Estes possuem propriedades estruturais únicas, caracterizadas por grupos funcionais de longo alongamento. Quando esses catalisadores são colocados sobre um substrato de carbono, eles assumem formas tridimensionais, como uma dançarina colocada em um palco. Esta mudança de forma influencia o quão bem eles funcionam para ORR em diferentes níveis de pH.
Curvas experimentais de polarização RDE são fornecidas em pH = 1 e pH = 13. Esta figura oferece comparações diretas entre os potenciais de meia onda experimentais e simulados. Crédito: Hao Li, Hiroshi Yabu et al.
Ainda assim, traduzir essas propriedades estruturais benéficas em desempenhos aumentados é um desafio, que requer modelagem, validação e experimentação significativas, que consomem muitos recursos.
“Para superar isso, usamos simulações de computador para estudar como o desempenho do catalisador Fe-AzPcs suportado por carbono para reações de redução de oxigênio muda com diferentes níveis de pH, observando como os campos elétricos interagem com o pH e o grupo funcional circundante”, diz Hao Li, professor associado do Instituto Avançado de Pesquisa de Materiais da Universidade de Tohoku (WPI-AIMR) e autor correspondente do artigo.
Modelos de vulcão ORR dependentes de pH e curvas LSV simuladas de derivados de Fe-AzPc. Vulcões dependentes do campo de pH. Os lados esquerdo e direito da barra colorida representam a correlação entre o campo elétrico e o pH. Este número serve como referência para nossos experimentos. Crédito: Hao Li, Hiroshi Yabu et al.
Ao analisar o desempenho do Fe-AzPcs na ORR, Li e seus colegas incorporaram grandes estruturas moleculares com arranjos complexos de cadeia longa, ou “padrões de dança”, com arranjos de mais de 650 átomos.
Crucialmente, os dados experimentais revelaram que a modelagem microcinética acoplada ao campo de pH correspondia estreitamente à eficiência de ORR observada.
“Nossas descobertas sugerem que avaliar a transferência de carga que ocorre no local de Fe, onde o Fe átomo geralmente perde aproximadamente 1,3 elétrons, poderia servir como um método útil para identificar grupos funcionais circundantes adequados para ORR”, acrescenta Li. “Criamos essencialmente uma análise de referência direta para o modelo microcinético para identificar catalisadores MNC eficazes para ORR em várias condições de pH.”
Referência: “Benchmarking de modelagem microcinética acoplada ao campo de pH contra a redução de oxigênio em catalisadores de Fe-azaftalocianina em grande escala” por Di Zhang, Yutaro Hirai, Koki Nakamura, Koju Ito, Yasutaka Matsuo, Kosuke Ishibashi, Yusuke Hashimoto, Hiroshi Yabu e Hao Li, 15 de março de 2024, Ciência Química.
DOI: 10.1039/D4SC00473F
