As células de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFCs) são células de energia que podem transformar a energia química produzida durante a reação eletroquímica entre hidrogênio e oxigênio em energia elétrica. Embora essas células possam ser soluções de energia altamente promissoras, a maioria delas só pode operar em faixas de temperatura limitadas, como 80 a 90 graus Celsius ou 140 a 180 graus Celsius.
Pesquisadores da Academia Chinesa de Ciências, da Universidade Normal de Tianjin e da Universidade de Tianjin projetaram recentemente um novo tipo de PEMFCs que pode operar em uma faixa muito mais ampla de temperaturas, especificamente de -20 a 200 graus Celsius. Seu artigo, publicado na Nature Energy, pode facilitar o uso generalizado da tecnologia PEMFC, além de reduzir seus custos de fabricação.
“Quando pensamos no vazamento de ácido fosfórico (PA) de uma membrana de polibenzimidazol (PBI), acreditamos que uma molécula de benzimidazol absorveria uma molécula de PA, de acordo com o conceito de interações ácido-base”, Nanwen Li, um dos autores do artigo, disse ao TechXplore. “Todas as outras moléculas de PA na membrana PBI, por outro lado, são retidas principalmente por interações de ligações de hidrogênio. pode criar um canil, todos os cães neste canil não seriam capazes de sair facilmente se a porta da frente estivesse fechada.”
O objetivo principal do recente estudo conduzido por Li e seus colegas foi criar uma membrana que pudesse absorver PA. Para fortalecer ainda mais sua capacidade de capturar PA, os pesquisadores aproveitaram o que é conhecido como ‘efeito de sifão capilar’, um efeito através do qual os líquidos podem ser facilmente absorvidos.
Ao aplicar o efeito de sifonagem capilar a uma membrana convencional, o líquido ainda pode não ser liberado facilmente. Por isso, a equipe decidiu fabricar a membrana usando polímeros de base de Tröger (TB), materiais com microporosidade intrínseca ultra-alta.
“Os ultramicroporos no polímero de TB atuam como capilares para a absorção e retenção de PA, como na metáfora do canil”, explicou Li. “Ao ajustar a estrutura química do monômero, o tamanho e a distribuição dos poros da membrana do polímero podem ser controlados. Uma membrana com tamanho de poro de cerca de 3,5 Å mostrou o melhor efeito de sifão das moléculas de PA e, portanto, a melhor estabilidade de condutividade e desempenho da célula de combustível sob uma ampla faixa de temperaturas de operação.”
As células de combustível normalmente funcionam oxidando eletroquimicamente combustíveis, como o hidrogênio, na presença de ar ou oxigênio, produzindo energia elétrica e água. A membrana condutora de prótons contida nos PEMFCs é revestida com uma substância catalítica em cada lado, para desencadear reações eletroquímicas entre o ânodo (hidrogênio) e o cátodo (oxigênio) dentro de uma célula.
“Entre outras, existem duas funções primárias da membrana: uma é conduzir os prótons cataliticamente produzidos no ânodo para transportá-los para o cátodo e combiná-los com o oxigênio, produzindo água, enquanto a outra é forçar os elétrons (ou seja, , energia elétrica) produzida cataliticamente no ânodo, através de um circuito externo, onde completam o circuito e produzem água”, disse Li. “Pode-se pensar em células de combustível como uma combustão catalítica altamente controlada de hidrogênio e oxigênio, que não explode como se fosse inflamado, mas libera energia elétrica sob demanda. A eletrólise, ou a divisão da água, é realmente exatamente o inverso, onde você insere energia elétrica para dividir a água em hidrogênio e oxigênio.”
Usando a membrana ultramicroporosa dopada com PA que eles criaram, Li e seus colegas conseguiram fabricar células de combustível que podem operar em uma ampla faixa de temperaturas. Esta é uma conquista notável, pois os PEMFCs desenvolvidos anteriormente só podem operar em faixas de temperatura restritas.
“Usando nosso projeto, a pilha de células de combustível seria simplificada significativamente”, disse Li. “Acreditamos que o efeito de sifão para a absorção de PA nos ultramicroporos é significativo para o desenvolvimento de PEMFCs de alta temperatura de alto desempenho e também melhoraria o sistema geral de células de combustível, permitindo que ele fosse operado sem sistemas auxiliares de aquecimento”.
O novo design de membrana e célula poderá em breve levar ao desenvolvimento de PEMFCs de melhor desempenho, além de reduzir significativamente seus custos de fabricação. Em seus próximos estudos, Li e seus colegas planejam aplicar o efeito de sifonagem capilar também à camada de catalisador, para melhorar sua eficácia e reduzir a carga de catalisador.
Além disso, eles se concentrarão em micro-ajustar o tamanho dos poros da membrana e a distribuição da mistura, copolimerização e reticulação. Isso poderia ajudar a melhorar ainda mais a estabilidade e a condutividade das células de combustível.
“Também gostaríamos de projetar e preparar sistemas PBI com o mesmo tipo de ultra-microporosidade das membranas que usamos, que podem ser mais fáceis de aplicar no setor de energia”, acrescentou Li. “Além disso, o mesmo efeito de sifão que produzimos também pode ser utilizado na camada de catalisador, para manter as moléculas de PA dentro da camada de catalisador e, assim, evitar o impacto adverso do envenenamento por fosfato do catalisador de Pt. Portanto, prevemos que a alta utilização do catalisador e assim, uma baixa carga de catalisador será alcançada para células de combustível de membrana de troca de prótons de alta temperatura.”
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