Eletrocatalisadores metal-N-C: aspectos físicos e químicos na atividade e durabilidade frente à reação de redução do oxigênio - Moraes, Ricardo Sgarbi de (2020)
Eletrocatalisadores Metal-N-C (Metal: Fe ou Co) têm sido investigados para a diminuição da dependência de metais do grupo da platina na catálise da reação de redução de oxigênio (RRO) em células a combustível sob condições ácida e alcalinas. Esta tese relaciona as propriedades físico-químicas destes eletrocatalisadores com a atividade, durabilidade e resistência ao envenamento. Os materiais investigados consistem de dois principais grupos: (i) átomos metálicos dispersos em uma matriz de carbono dopado com nitrogênio (sítios ativos: M-NxCy) e (ii) nanopartículas metálicas encapsuladas por uma camada de carbono dopado com nitrogênio (sítios ativos: M@N-C). Ao considerar a atividade, os eletrocatalisadores Fe-N-C são os mais ativos em baixo e alto valores de pH. Sítios ativos Fe-NxCy possuem as maiores atividades frente à RRO em meio ácido, sendo amplificadas pelas energias de ligação entre entre o centro metálico e os intermediários oxigenados. De maneira oposta, sítios Fe@N-C alcançam altas atividades mássicas em meio alcalino, favorecido pelo efeito sinérgico entre as nanopartículas metálicas e o envólucro de carbono dopado com nitrogênio. Os testes de durabilidade mostraram dois principais processos de degradação que podem ocorrer no catalisador: (i) a interconversão e/ou oxidação dos grupos funcionais oxigenados e nitrogenados e (ii) a demetalação dos centros metálicos. O catalisador de ferro nanoparticulado sofre uma mais severa oxidação e/ou interconversão dos grupos funcionais nitrogenados e oxigenados que a dispersão atômica do ferro. No entanto, este último catalisador perde maior quantidade de metal, o qual é re-depositado formando nanopartículas à base de ferro in situ em maior proporção após testes de degradação acelerada a 25 °C se comparado à 60 °C sob atmosfera de O2. Assim, o ferro atomicamente disperso com nanopartículas à base de ferro sofre uma diminuição na atividade mássica da RRO menos intensa. Além disso, eletrocatalisadores atomicamente dispersos contendo Fe e Co apresentam maior tolerância aos íons BH4- em comparação às respectivas nanopartículas metálicas encapsuladas. A tolerância aos íons BH4- é maximizada pela presença do centro metálico de ferro e pela maior área dos microporos do catalisador atomicamente disperso. Estas características colocam o eletrocatalisador de ferro disperso atomicamente como um promissor candidato para a investigação numa célula a combustível de borohidreto direta (DBFC) e um excelente candidato a aplicação em célula a combustível alcalina de troca aniônica (AEMFC).