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As células de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC), que estão sendo desenvolvidas para uso em veículos elétricos, dependem de nanopartículas chamadas catalisadores para desencadear reações de produção de eletricidade entre hidrogênio e oxigênio. A maioria dos catalisadores PEMFC contém platina – um metal escasso e precioso. Há, portanto, uma necessidade global urgente de desenvolver catalisadores que possam gerar o máximo de energia enquanto minimizam o teor de platina.
Os fabricantes integram esses catalisadores em montagens complexas chamadas camadas de catalisadores. Até agora, eles tinham que fazer isso sem uma imagem detalhada da estrutura resultante, pois os processos de imagem tradicionais quase sempre causam algum grau de dano. Vasiliki Tileli, chefe do Laboratório de caracterização in situ de nanomateriais com elétrons da Escola de Engenharia, encontrou uma maneira de contornar esse desafio. Ao visualizar catalisadores e seu ambiente em temperaturas abaixo de zero usando tomografia eletrônica de transmissão criogênica e processando as imagens com aprendizado profundo, ela e seus colegas conseguiram revelar, pela primeira vez, a estrutura em nanoescala das camadas do catalisador.
“Ainda estamos longe de PEMFCs sem platina, que é muito caro, então, a curto prazo, precisamos reduzir o carregamento de platina para tornar essa tecnologia viável para produção em massa. Portanto, é imperativo entender como a platina se posiciona em relação a outras materiais dentro da camada de catalisador, para aumentar a superfície de contato necessária para que as reações químicas ocorram”, explica Tileli.
“É por isso que é uma grande conquista imaginar esses catalisadores em três dimensões; antes, era impossível ter o contraste correto entre os diferentes componentes da camada do catalisador”. O trabalho foi recentemente publicado na revista Natureza Catálise.
Melhor preservação; Maior resolução
Durante a geração de imagens usando microscopia eletrônica convencional, amostras delicadas da camada de catalisador geralmente são danificadas por feixes de elétrons, fazendo com que os materiais encolham ou se deformem. Ao realizar a imagem no local em temperaturas criogênicas, Tileli e sua equipe conseguiram preservar a maior parte da morfologia da camada de catalisador. Em seguida, eles usaram um algoritmo de aprendizado de máquina para remover o ruído e classificar as imagens com mais precisão, permitindo que alcançassem uma resolução de imagem mais alta do que nunca.
Crucialmente, os cientistas foram capazes de revelar a espessura heterogênea de uma camada de polímero poroso nos catalisadores chamados ionômeros. A espessura do ionômero influencia fortemente o desempenho dos catalisadores de platina.
“O ionômero deve ter uma certa espessura para que as reações catalíticas aconteçam com eficiência. Como pudemos fazer uma reconstrução completa das camadas do catalisador com danos limitados à estrutura, pudemos mostrar, pela primeira vez, quanta platina é coberta com ionômero e a espessura dessa cobertura”, explica Tileli.
Essas informações podem ser uma mina de ouro para os fabricantes de catalisadores, que podem usá-las para produzir catalisadores com mais partículas de platina cobertas pela quantidade certa de ionômero – e que, portanto, funcionam de maneira ideal.
“O crio-aspecto é o componente chave deste estudo. Os ionômeros são como proteínas: são macios e requerem condições de congelamento para estabilizar e proteger sua estrutura”, diz Tileli.
“Acho que esta técnica avançada será útil não apenas para facilitar a fabricação em massa de PEMFCs por meio do uso otimizado de platina, mas também para muitas aplicações diferentes de ciência de materiais e energia – por exemplo, armazenamento de bateria, eletrólise de água e sistemas de conversão de energia em em geral.”
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