Catalisador novo e durável para células de combustível de veículosecológicos
O fator principal que impede o uso generalizado de células de combustível de hidrogênio ecologicamente limpas, 0% de emissões, em carros, camiões e outros veículos é o custo dos catalisadores de platina que fazem as células funcionarem. Uma maneira para ultrapassar este problema seria usar uma liga de platina com outros metais mais baratos, mas esses catalisadores degradam-se rapidamente.
Agora, uns cientistas da Brown University desenvolveram um novo catalisador construído com uma liga que reduz o uso de platina e suportou bem os testes nas células de combustível. O catalisador, feito de uma liga de platina com cobalto em nano partículas, mostrou superar as metas do Departamento de Energia (DOE) dos EUA para o ano de 2020, tanto em reatividade quanto em durabilidade, de acordo com testes descritos na revista Joule .
- "A durabilidade dos catalisadores de ligas de metais é um grande problema", disse Junrui Li, um estudante de pós-graduação em química da Brown e principal autor do estudo. "Foi demonstrado que as ligas têm desempenho melhor do que a platina pura, mas nas condições, dentro de uma célula de combustível, a parte de metal não precioso do catalisador oxida e fica lixiviada muito rapidamente".
Para resolver esse problema de lixiviação, a equipa desenvolveu nano partículas de liga com uma estrutura especializada. As partículas têm um invólucro externo de platina pura em volta de um núcleo feito de camadas alternadas de átomos de platina e cobalto. Essa estrutura central em camadas é a chave para a reatividade e a durabilidade do catalisador.
- "A construçao em camadas de átomos no núcleo ajuda a suavizar e apertar a rede de platina na camada externa", disse Sun. "Isso aumenta a reatividade da platina e ao mesmo tempo protege os átomos de cobalto de serem consumidos durante a reação. É por isso que essas partículas têm um desempenho muito superior ao das partículas de ligas com átomos aleatórios de metal."
Os detalhes de como a estrutura ordenada aumenta a atividade do catalisador são descritos resumidamente no artigo de ´´Joule`` , mas é explicado mais especificamente num artigo de modelagem computacional publicado no Journal of Chemical Physics. O trabalho de modelagem foi liderado por Andrew Peterson, professor associado da Brown School of Engineering, que também foi coactor do artigo de Joule .
Para o trabalho experimental, os investigadores testaram a capacidade do catalisador para realizar a reação de redução de oxigénio, que é fundamental para o desempenho e durabilidade da célula de combustível. Num lado de uma célula de combustível de membrana de troca de prótons (PEM), os elétrons retirados do combustível de hidrogênio criam uma corrente que aciona um motor elétrico. Do outro lado da célula, os átomos de oxigénio absorvem esses elétrons para completar o circuito. Isso é feito através da reação de redução de oxigénio.
Os testes iniciais mostraram que o catalisador teve um bom desempenho no ambiente de laboratório, superando um catalisador de platina. O novo catalisador manteve sua atividade após 30.000 ciclos de tensão, enquanto o desempenho do catalisador tradicional caiu significativamente.
Mas, embora os testes de laboratório sejam importantes para avaliar as propriedades de um catalisador, os técnicos afirmam que não demonstram necessariamente o bom funcionamento do catalisador numa célula de combustível real. O ambiente da célula de combustível é muito mais quente e difere em acidez em comparação com os ambientes de teste de laboratório, o que pode acelerar a degradação do catalisador. Para descobrir como o catalisador se manteria nesse ambiente, os investigadores enviaram o catalisador para o Laboratório Nacional de Los Alamos para testes numa célula de combustível real.
O teste mostrou que o catalisador supera as metas estabelecidas pelo Departamento de Energia (DOE). O DOE tinha proposto aos investigadores para desenvolverem catalisadores com uma atividade inicial de 0,44 amperes por miligrama de platina até 2020, e uma atividade de pelo menos 0,26 ampères por miligrama após 30.000 ciclos de voltagem (aproximadamente equivalente a cinco anos de uso num veículo com célula de combustível). O teste do novo catalisador mostrou que ele tinha uma atividade inicial de 0,56 amperes por miligrama e uma atividade após 30.000 ciclos de 0,45 amperes.
- "Mesmo depois de 30.000 ciclos, nosso catalisador ainda excedeu o alvo do DOE para a atividade inicial", disse Sun. "Esse tipo de performance num ambiente de célula de combustível do mundo real é realmente promissor".
Os investigadores já solicitaram uma patente provisória do o catalisador e vão continuar a desenvolvê-lo.
Fonte//
ScienceDaily
Inglish Version
New and durable catalytic converter for fuel cells from organic vehicles
The main factor that prevents the widespread use of environmentally clean hydrogen fuel cells, 0% emissions, in cars, trucks and other vehicles is the cost of the platinum catalysts that make the cells work. One way to overcome this problem would be to use a platinum alloy with other cheaper metals, but such catalysts degrade rapidly.
Brown University scientists have now developed a new catalyst built with an alloy that reduces the use of platinum and has successfully withstood fuel cell testing. The catalyst, made from a platinum alloy with cobalt nanoparticles, has been shown to exceed the US Department of Energy's (DOE) 2020 targets for both reactivity and durability, according to tests described in Joule magazine.
"The durability of metal alloy catalysts is a major problem," said Junrui Li, a graduate student in chemistry at Brown and lead author of the study. "It has been shown that alloys perform better than pure platinum, but under the conditions, within a fuel cell, the non-precious metal part of the catalyst oxidizes and leaches very quickly."
To solve this leaching problem, the team developed nano alloy particles with a specialized structure. The particles have an outer sheath of pure platinum around a core made up of alternating layers of platinum and cobalt atoms. This central layered structure is the key to catalyst reactivity and durability.
"The layered construction of atoms in the nucleus helps smooth and tighten the platinum network in the outer shell," Sun said. "This increases the reactivity of platinum and at the same time protects the cobalt atoms from being consumed during the reaction. so that these particles perform much better than alloying particles with random metal atoms. "
Details of how the ordinate structure enhances catalyst activity are briefly described in the Joule article, but is more specifically explained in a computer modeling paper published in the Journal of Chemical Physics. The modeling work was led by Andrew Peterson, associate professor at the Brown School of Engineering, who was also co-author of Joule's article.
For the experimental work, the researchers tested the catalyst's ability to perform the oxygen reduction reaction, which is critical to the performance and durability of the fuel cell. On one side of a proton exchange membrane (PEM) fuel cell, electrons drawn from hydrogen fuel create a current that drives an electric motor. On the other side of the cell, the oxygen atoms absorb these electrons to complete the circuit. This is done through the oxygen reduction reaction.
Initial tests showed that the catalyst performed well in the laboratory environment, outperforming a platinum catalyst. The new catalyst maintained its activity after 30,000 stress cycles, while the performance of the traditional catalyst dropped significantly.
But while laboratory tests are important for evaluating the properties of a catalyst, engineers claim that they do not necessarily demonstrate the proper functioning of the catalyst in an actual fuel cell. The fuel cell environment is much warmer and differs in acidity compared to laboratory test environments, which can accelerate catalyst degradation. To find out how the catalyst would remain in this environment, the researchers sent the catalyst to the Los Alamos National Laboratory for testing on a real fuel cell.
The test showed that the catalyst exceeds the targets set by the Department of Energy (DOE). The DOE had proposed to researchers to develop catalysts with an initial activity of 0.44 amperes per milligram of platinum by 2020, and an activity of at least 0.26 amperes per milligram after 30,000 cycles of voltage (roughly equivalent to five years of use in a fuel cell vehicle). The new catalyst test showed that it had an initial activity of 0.56 amperes per milligram and one activity after 30,000 cycles of 0.45 amperes.
"Even after 30,000 cycles, our catalyst still exceeded DOE's target for the initial activity," Sun said. "This kind of performance in a real-world fuel cell environment is really promising."
The researchers have already applied for a provisional patent for the catalyst and will continue to develop it.
Source //
ScienceDaily
O fator principal que impede o uso generalizado de células de combustível de hidrogênio ecologicamente limpas, 0% de emissões, em carros, camiões e outros veículos é o custo dos catalisadores de platina que fazem as células funcionarem. Uma maneira para ultrapassar este problema seria usar uma liga de platina com outros metais mais baratos, mas esses catalisadores degradam-se rapidamente.
Agora, uns cientistas da Brown University desenvolveram um novo catalisador construído com uma liga que reduz o uso de platina e suportou bem os testes nas células de combustível. O catalisador, feito de uma liga de platina com cobalto em nano partículas, mostrou superar as metas do Departamento de Energia (DOE) dos EUA para o ano de 2020, tanto em reatividade quanto em durabilidade, de acordo com testes descritos na revista Joule .
- "A durabilidade dos catalisadores de ligas de metais é um grande problema", disse Junrui Li, um estudante de pós-graduação em química da Brown e principal autor do estudo. "Foi demonstrado que as ligas têm desempenho melhor do que a platina pura, mas nas condições, dentro de uma célula de combustível, a parte de metal não precioso do catalisador oxida e fica lixiviada muito rapidamente".
Para resolver esse problema de lixiviação, a equipa desenvolveu nano partículas de liga com uma estrutura especializada. As partículas têm um invólucro externo de platina pura em volta de um núcleo feito de camadas alternadas de átomos de platina e cobalto. Essa estrutura central em camadas é a chave para a reatividade e a durabilidade do catalisador.
- "A construçao em camadas de átomos no núcleo ajuda a suavizar e apertar a rede de platina na camada externa", disse Sun. "Isso aumenta a reatividade da platina e ao mesmo tempo protege os átomos de cobalto de serem consumidos durante a reação. É por isso que essas partículas têm um desempenho muito superior ao das partículas de ligas com átomos aleatórios de metal."
Os detalhes de como a estrutura ordenada aumenta a atividade do catalisador são descritos resumidamente no artigo de ´´Joule`` , mas é explicado mais especificamente num artigo de modelagem computacional publicado no Journal of Chemical Physics. O trabalho de modelagem foi liderado por Andrew Peterson, professor associado da Brown School of Engineering, que também foi coactor do artigo de Joule .
Para o trabalho experimental, os investigadores testaram a capacidade do catalisador para realizar a reação de redução de oxigénio, que é fundamental para o desempenho e durabilidade da célula de combustível. Num lado de uma célula de combustível de membrana de troca de prótons (PEM), os elétrons retirados do combustível de hidrogênio criam uma corrente que aciona um motor elétrico. Do outro lado da célula, os átomos de oxigénio absorvem esses elétrons para completar o circuito. Isso é feito através da reação de redução de oxigénio.
Os testes iniciais mostraram que o catalisador teve um bom desempenho no ambiente de laboratório, superando um catalisador de platina. O novo catalisador manteve sua atividade após 30.000 ciclos de tensão, enquanto o desempenho do catalisador tradicional caiu significativamente.
Mas, embora os testes de laboratório sejam importantes para avaliar as propriedades de um catalisador, os técnicos afirmam que não demonstram necessariamente o bom funcionamento do catalisador numa célula de combustível real. O ambiente da célula de combustível é muito mais quente e difere em acidez em comparação com os ambientes de teste de laboratório, o que pode acelerar a degradação do catalisador. Para descobrir como o catalisador se manteria nesse ambiente, os investigadores enviaram o catalisador para o Laboratório Nacional de Los Alamos para testes numa célula de combustível real.
O teste mostrou que o catalisador supera as metas estabelecidas pelo Departamento de Energia (DOE). O DOE tinha proposto aos investigadores para desenvolverem catalisadores com uma atividade inicial de 0,44 amperes por miligrama de platina até 2020, e uma atividade de pelo menos 0,26 ampères por miligrama após 30.000 ciclos de voltagem (aproximadamente equivalente a cinco anos de uso num veículo com célula de combustível). O teste do novo catalisador mostrou que ele tinha uma atividade inicial de 0,56 amperes por miligrama e uma atividade após 30.000 ciclos de 0,45 amperes.
- "Mesmo depois de 30.000 ciclos, nosso catalisador ainda excedeu o alvo do DOE para a atividade inicial", disse Sun. "Esse tipo de performance num ambiente de célula de combustível do mundo real é realmente promissor".
Os investigadores já solicitaram uma patente provisória do o catalisador e vão continuar a desenvolvê-lo.
Fonte//
ScienceDaily
Inglish Version
New and durable catalytic converter for fuel cells from organic vehicles
The main factor that prevents the widespread use of environmentally clean hydrogen fuel cells, 0% emissions, in cars, trucks and other vehicles is the cost of the platinum catalysts that make the cells work. One way to overcome this problem would be to use a platinum alloy with other cheaper metals, but such catalysts degrade rapidly.
Brown University scientists have now developed a new catalyst built with an alloy that reduces the use of platinum and has successfully withstood fuel cell testing. The catalyst, made from a platinum alloy with cobalt nanoparticles, has been shown to exceed the US Department of Energy's (DOE) 2020 targets for both reactivity and durability, according to tests described in Joule magazine.
"The durability of metal alloy catalysts is a major problem," said Junrui Li, a graduate student in chemistry at Brown and lead author of the study. "It has been shown that alloys perform better than pure platinum, but under the conditions, within a fuel cell, the non-precious metal part of the catalyst oxidizes and leaches very quickly."
To solve this leaching problem, the team developed nano alloy particles with a specialized structure. The particles have an outer sheath of pure platinum around a core made up of alternating layers of platinum and cobalt atoms. This central layered structure is the key to catalyst reactivity and durability.
"The layered construction of atoms in the nucleus helps smooth and tighten the platinum network in the outer shell," Sun said. "This increases the reactivity of platinum and at the same time protects the cobalt atoms from being consumed during the reaction. so that these particles perform much better than alloying particles with random metal atoms. "
Details of how the ordinate structure enhances catalyst activity are briefly described in the Joule article, but is more specifically explained in a computer modeling paper published in the Journal of Chemical Physics. The modeling work was led by Andrew Peterson, associate professor at the Brown School of Engineering, who was also co-author of Joule's article.
For the experimental work, the researchers tested the catalyst's ability to perform the oxygen reduction reaction, which is critical to the performance and durability of the fuel cell. On one side of a proton exchange membrane (PEM) fuel cell, electrons drawn from hydrogen fuel create a current that drives an electric motor. On the other side of the cell, the oxygen atoms absorb these electrons to complete the circuit. This is done through the oxygen reduction reaction.
Initial tests showed that the catalyst performed well in the laboratory environment, outperforming a platinum catalyst. The new catalyst maintained its activity after 30,000 stress cycles, while the performance of the traditional catalyst dropped significantly.
But while laboratory tests are important for evaluating the properties of a catalyst, engineers claim that they do not necessarily demonstrate the proper functioning of the catalyst in an actual fuel cell. The fuel cell environment is much warmer and differs in acidity compared to laboratory test environments, which can accelerate catalyst degradation. To find out how the catalyst would remain in this environment, the researchers sent the catalyst to the Los Alamos National Laboratory for testing on a real fuel cell.
The test showed that the catalyst exceeds the targets set by the Department of Energy (DOE). The DOE had proposed to researchers to develop catalysts with an initial activity of 0.44 amperes per milligram of platinum by 2020, and an activity of at least 0.26 amperes per milligram after 30,000 cycles of voltage (roughly equivalent to five years of use in a fuel cell vehicle). The new catalyst test showed that it had an initial activity of 0.56 amperes per milligram and one activity after 30,000 cycles of 0.45 amperes.
"Even after 30,000 cycles, our catalyst still exceeded DOE's target for the initial activity," Sun said. "This kind of performance in a real-world fuel cell environment is really promising."
The researchers have already applied for a provisional patent for the catalyst and will continue to develop it.
Source //
ScienceDaily
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