Um avanço na tecnologia de células de combustível de hidrogénio, alcançado através de investigação colaborativa, reduziu substancialmente os custos ao substituir metais de platina por prata em catalisadores, marcando um passo significativo no sentido do armazenamento de energia verde acessível e eficiente.
À medida que a mudança global para fontes de energia renováveis ganha impulso, surge um desafio crucial: como armazenar energia de forma eficaz durante os períodos em que a energia solar e eólica não estão disponíveis.
Um dos principais concorrentes, a célula a combustível de hidrogênio, acaba de receber um grande impulso, graças à pesquisa fundamental proveniente do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia, da Universidade de Stanford e do Toyota Research Institute (TRI), que foi recentemente traduzida para a prática em um dispositivo de célula de combustível por meio de uma colaboração entre Stanford e Technion Israel Institute of Technology.
“As células a combustível de hidrogênio têm um potencial realmente grande para armazenamento e conversão de energia, usando o hidrogênio como combustível alternativo, por exemplo, à gasolina”, disse Michaela Burke Stevens, cientista associada do SLAC e do Centro SUNCAT conjunto para Ciência de Interface e Catálise da Universidade de Stanford e um dos autores seniores do estudo. “Mas ainda é bastante caro operar uma célula de combustível.”
O dilema do custo das células de combustível
O problema, disse Burke Stevens, é que as células de combustível normalmente dependem de um catalisador – repleto de caros metais do grupo da platina (PGM) – que estimula a reação química que faz o sistema funcionar. Isso levou Burke Stevens e seus colegas a procurar maneiras de tornar o catalisador mais barato, mas fazer uma mudança tão fundamental na química de uma célula de combustível é um desafio assustador: os cientistas muitas vezes descobrem que um catalisador que funciona em seu pequeno laboratório não funciona. tão bem quando uma empresa tenta fazer isso em uma célula de combustível do mundo real.
Desta vez, os investigadores equilibraram os custos, substituindo parcialmente os PGM por uma alternativa mais barata, a prata; mas a verdadeira chave era simplificar a receita química para colocar o catalisador nos eletrodos da célula.
Uma ilustração de uma película fina de prata-paládio depositada em um eletrodo de carbono poroso, que os pesquisadores acreditam que poderia tornar a fabricação de células a combustível de hidrogênio mais fácil e menos dispendiosa. Crédito: José Zamora Zeledόn, John Douglin e Michaela Burke Stevens
Os cientistas normalmente misturam o catalisador em um líquido e depois o espalham no eletrodo de malha, mas essas receitas de catalisador nem sempre funcionam da mesma maneira em diferentes ambientes de laboratório com ferramentas diferentes – dificultando a tradução do trabalho em aplicações do mundo real . “Os processos químicos úmidos não são particularmente resistentes às condições laboratoriais”, disse Tom Jaramillo, diretor da SUNCAT, que tornou a colaboração possível.
Para contornar esse problema, a equipe do SLAC usou uma câmara de vácuo para deposições mais controladas de seu novo catalisador nos eletrodos. “Esta ferramenta de alto vácuo é um método do tipo ‘o que você vê é o que você obtém’”, disse Jaramillo. “Desde que o seu sistema esteja bem calibrado, em princípio, as pessoas podem reproduzi-lo facilmente.”
Esforços colaborativos e aplicação prática
Para garantir que outros pudessem reproduzir a sua abordagem e aplicá-la diretamente a células de combustível em grande escala, a equipa trabalhou com especialistas do Technion, que mostraram que o método funcionava numa célula de combustível prática.
“Este projeto não foi criado para fazer testes de células de combustível aqui, então tivemos muita sorte que o principal aluno de pós-graduação de Stanford no projeto, José Zamora Zeledόn, formou uma conexão com Dario Dekel e seu aluno de doutorado John Douglin no Technion. Eles foram criados para testar as células de combustível reais, então foi uma ótima combinação de recursos para montar”, disse Burke Stevens.
Juntas, as duas equipes descobriram que, ao substituir alguns dos PGMs usados em catalisadores anteriores por prata mais barata, poderiam obter uma célula de combustível igualmente eficaz com um preço muito mais baixo – e agora que têm um método comprovado de desenvolvimento de catalisadores, podem comece a testar ideias mais ambiciosas.
“Poderíamos tentar ficar totalmente livres de PGM”, disse Jaramillo. Dekel, professor de engenharia química e diretor do Programa de Energia Grand Technion do Technion, ficou igualmente entusiasmado com o potencial da parceria. “Isso traz grandes benefícios para a pesquisa de células de combustível na academia, bem como para o desenvolvimento prático de catalisadores na indústria de células de combustível”, disse ele.
Olhando para o futuro, disse Jaramillo, pesquisas como esta decidirão se as células de combustível podem cumprir seu potencial. “As células de combustível parecem realmente interessantes e interessantes para o transporte pesado e o armazenamento de energia limpa”, disse Jaramillo, “mas, em última análise, tudo se resumirá à redução de custos, que é o objetivo deste trabalho colaborativo”.
Referência: “Células a combustível de membrana de troca aniônica de cátodo sem ionômero de alto desempenho com Ag-Pd de carga ultrabaixa Liga eletrocatalisadores” por John C. Douglin, Jose A. Zamora Zeledon, Melissa E. Kreider, Ramesh K. Singh, Michaela Burke Stevens, Thomas F. Jaramillo e Dario R. Dekel, 9 de novembro de 2023, Energia da Natureza.
DOI: 10.1038/s41560-023-01385-7
Esta pesquisa foi financiada em parte pelo Office of Science do DOE por meio do SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, um instituto conjunto SLAC-Stanford, e do Toyota Research Institute.
