Novo catalisador com 75% menos platina promete reduzir o custo das células de combustível de hidrogênio.

O alto custo da platina é uma das principais barreiras para a adoção em larga escala das células a combustível de hidrogênio. Agora, pesquisadores do Instituto de Materiais IMDEA desenvolveram um catalisador que oferece o mesmo desempenho utilizando 75% menos desse metal caro. O estudo, publicado na revista Electrochimica Acta , demonstra um avanço possibilitado pela aplicação de compressão mecânica controlada ao catalisador. Isso modifica sua estrutura em escala atômica, permitindo que ele atinja uma eficiência energética comparável à da platina pura.

Como a platina é o componente mais caro desses catalisadores, reduzir seu uso em 75% diminuiria significativamente o custo de fabricação desses dispositivos de energia limpa.

"Essa descoberta demonstra que a engenharia de deformação elástica é uma estratégia viável e precisa para projetar catalisadores muito mais econômicos", explica Jorge Redondo, do IMDEA Materials, autor principal do estudo.

"Ao reduzir o teor de platina em três quartos, mantendo um desempenho catalítico comparável, este trabalho representa um passo promissor rumo à produção em larga escala de tecnologias de hidrogênio mais competitivas."

Como a compressão potencializa a reação

As células a combustível de hidrogênio, que geram eletricidade a partir de hidrogênio e oxigênio, devem desempenhar um papel fundamental na transição energética. No entanto, a reação de redução do oxigênio (ORR), que produz água como subproduto, é uma das etapas mais lentas do processo. Para acelerar essa reação, as células a combustível geralmente utilizam catalisadores à base de platina, pois a platina combina alta atividade catalítica com excelente estabilidade operacional.

Para reduzir essa dependência, os pesquisadores desenvolveram um catalisador baseado em uma liga de cobre-platina (Cu₃Pt) depositada sobre um substrato de níquel-titânio com memória de forma. Ao aplicar uma leve compressão mecânica de menos de 1%, eles alteraram a estrutura eletrônica do catalisador, aumentando significativamente sua capacidade de catalisar a reação.

Especificamente, os testes eletroquímicos mostraram que o catalisador comprimido atingiu um potencial de 855 milivolts a uma densidade de corrente de 1 mA/cm², praticamente idêntico aos 856 milivolts alcançados pela platina pura nas mesmas condições em um ambiente ácido com pH próximo de 1.

Em contrapartida, a aplicação de tensão de tração, esticando a liga em 0,80%, levou a uma queda significativa no desempenho. Esse comportamento valida experimentalmente as previsões teóricas baseadas nas alterações da força de adsorção/dessorção de hidrogênio na superfície do catalisador.

Uma superfície rica em platina emerge.

As análises também confirmaram que o próprio processo eletroquímico induz a dissolução seletiva do cobre da superfície do catalisador.

"Isso cria uma fina camada enriquecida com platina, com apenas alguns nanômetros de espessura, sobre a estrutura subjacente", diz Redondo. "O efeito combinado da compressão mecânica e da auto-organização química torna possível reduzir drasticamente a quantidade de platina necessária sem sacrificar a eficiência."

Estabilidade e escala continuam sendo obstáculos.

Apesar desses resultados promissores, os autores enfatizam que mais estudos são necessários antes que a tecnologia possa ser comercializada.

O catalisador deve demonstrar que pode ser fabricado de forma economicamente viável em escala industrial e que o efeito induzido pela compressão, essencial para manter seu alto desempenho, permanece estável durante a operação a longo prazo. Esses serão os focos da próxima etapa da pesquisa.