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As questões gêmeas da mudança climática e da escassez de combustíveis fósseis são os novos desafios fundamentais da pesquisa energética. As células de combustível de eletrólito de polímero (PEFCs), que produzem o hidrogênio de combustível limpo, são uma das opções mais promissoras para enfrentar esses dois desafios. No entanto, os PEFCs são caros de fabricar e operar, principalmente devido à grande quantidade de platina (Pt) necessária. Além disso, a quantidade de Pt na crosta terrestre é limitada, o que significa que para tornar os PEFCs verdadeiramente sustentáveis é imperativo reduzir a quantidade de Pt que utilizam. Atualmente, os PEFCs usam cátodos (o eletrodo positivo) feitos com nanopartículas de Pt (NPs) que são suportadas em negro de fumo (Pt NPs/CB). No entanto, pesquisas recentes têm indicado que os nanoclusters de Pt (Pt NCs) apresentam maior atividade de reação de redução de oxigênio (ORR) do que os Pt NPs, ou seja, apresentam maior desempenho. Até agora, a razão para a alta atividade de ORR de Pt NCs não é clara.
Recentemente, uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Yuichi Negishi, da Tokyo University of Science (TUS), desenvolveu um novo Pt NC que exibe atividade ORR 2,1 vezes maior do que os Pt NPs comerciais e elucidou a origem de sua alta atividade. “Em nosso estudo, nos concentramos em Pt NCs derivados de uma Pt, carboxilato de carbono (CO) e trifenilfosfina (PPh3) base, ou seja, [Pt17(CO)12(PPh3)8]z (onde z = 1+ ou 2+). Recentemente, mostramos que esses Pt NCs, ao contrário de outros, são estáveis no ar. Em seguida, realizamos cálculos de teoria funcional de densidade (DFT) para revelar o motivo de sua atividade notável”, diz o Prof. Toshihiko Yokoyama, do Institute for Molecular Science, Japão, e o professor Gregory F. Metha, da Universidade de Adelaide, Austrália. O estudo foi publicado na revista Nanoscale em 24 de março de 2023.
Os pesquisadores prepararam as Pt NCs pela adsorção de [Pt17(CO)12(PPh3)8]z em negro de fumo, seguido por uma reação de calcinação. Eles então compararam seu desempenho com Pt NPs/CB convencionais usando uma técnica chamada voltametria de varredura linear. Eles descobriram que os novos Pt NCs tiveram desempenho superior ao Pt NPs/CB. Notavelmente, a 0,9 volts, os Pt NCs tiveram atividade 2,1 vezes maior do que os Pt NPs/CB. Eles também descobriram que o aumento da carga de Pt no eletrodo leva a um aumento em sua atividade de massa, e que os PT NCs tiveram maior durabilidade do que os PT NPs/CB comerciais.
Em seguida, para elucidar as origens de sua alta atividade, eles realizaram cálculos DFT. “Nossos cálculos sugerem que a alta atividade de ORR dos novos Pt NCs se deve aos átomos de Pt da superfície, que possuem uma estrutura eletrônica adequada para o progresso do ORR”, revela o Prof. Negishi.
Essas descobertas podem servir como diretriz para o projeto de futuros catalisadores de Pt de alta atividade e alto desempenho para uso em PEFCs, o que nos levará um passo adiante na mitigação das mudanças climáticas e da crise dos combustíveis fósseis.
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