Os cientistas foram inspirados pela biologia para projetar uma célula de combustível com materiais mais baratos (cobalto) e um composto orgânico (quinona) que transporta elétrons e prótons.

Em uma célula de combustível tradicional, os elétrons e prótons de hidrogênio são transportados de um eletrodo para outro, onde se combinam com o oxigênio para produzir água. Este processo converte energia química em eletricidade. Para gerar uma quantidade significativa de carga em um período de tempo suficientemente curto, um catalisador é necessário para acelerar as reações.

Neste momento, o melhor catalisador no mercado é a platina, mas tem um preço alto. Isso torna as células de combustível caras e é uma das razões pelas quais existem apenas alguns milhares de veículos com combustível de hidrogênio atualmente nas estradas dos Estados Unidos.

Professor de Química da UW-Madison Shannon Stahl, que liderou o novo estudo em colaboração com Thatcher Root, professor de Engenharia Química, disse em um comunicado “os metais menos caros podem ser usados ​​como catalisadores em células de combustível atuais, mas somente se forem usados ​​em grandes quantidades. O problema é que quando muito catalisador é ligado a um eléctrodo, o material torna-se menos eficaz”.

Cobalto e quinona, chaves deste novo modelo

A solução da equipe foi embalar um cobalto metálico de baixo custo em um reator próximo, onde a maior quantidade de material não interfere em seu desempenho. Então, a equipe planejou uma estratégia para transferir elétrons e prótons deste reator para a célula de combustível.

O veículo certo para este transporte provou ser um composto orgânico, chamado quinona, que pode transportar dois elétrons e prótons por vez. No projeto do equipamento, uma quinona coleta essas partículas no eletrodo da célula a combustível, transporta-as para o reator próximo, preenchido com um catalisador de cobalto barato e, em seguida, retorna à célula de combustível para coletar mais “passageiros”.

Muitas quinonas são degradadas em uma substância semelhante a alcatrão após apenas algumas voltas. O laboratório de Stahl, no entanto, projetou um derivado de quinona ultraestável. Ao modificar sua estrutura, a equipe reduziu drasticamente a deterioração da quinona. Na verdade, os compostos que eles montaram duram até 5.000 horas, um aumento de mais de 100 vezes na vida em comparação com as estruturas quinonas anteriores.

“Embora não seja a solução final, o nosso conceito introduz uma nova abordagem para resolver os problemas nesta área”, diz Stahl, observando que a produção de energia de seu novo design produz cerca de 20 por cento do que é possível em baterias de hidrogênio combustível atualmente no mercado. Por outro lado, o sistema é aproximadamente 100 vezes mais eficaz do que as células de biocombustível que usam balsas orgânicas relacionadas.

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