Estudo de eletrocatalisadores M-N-C puros e híbridos para o cátodo de células a combustível

• Ano de defesa: 2025
• Autor(a) principal: Ishiki, Nícolas de Andrade
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: aumento da durabilidade; células a combustível; durability enhancement; eletrocatalisadores Fe-N-C; Fe-N-C electrocatalysts; fuel cells; nanopartículas de Pt; oxygen reduction reaction; Pt nanoparticles; reação de redução de oxigênio
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/75/75134/tde-25032025-095720/

As células a combustível com membrana trocadora de prótons (CAC-MTPs) despontam como uma solução promissora para geração de energia sustentável. Entretanto, sua viabilidade econômica é comprometida pela dependência de altas cargas de metais preciosos. Nesse cenário, os eletrocatalisadores M-N-C (metais dispersos atomicamente em uma matriz de carbono dopado com nitrogênio), especialmente Fe-N-C, destacam-se por seu baixo custo e elevada atividade para a reação de redução de oxigênio no cátodo. Contudo, sua durabilidade limitada, associada à instabilidade dos sítios ativos Fe-N4, ainda dificulta aplicações práticas. Nesta tese, investigaram-se os mecanismos de degradação de um Fe-N-C aerogel por meio de testes de durabilidade realizados em diferentes condições. Estudos eletroquímicos, combinados a técnicas avançadas de caracterização, destacaram a formação de H2O2 e a desmetalação de Fe como fatores crucias para a deterioração do material. Em seguida, explorou-se a hibridização do Fe-N-C com nanopartículas (NPs) de Pt como estratégia para melhorar sua durabilidade. Um método brando foi utilizado para depositar cargas ultrabaixas de NPs de Pt (~1 % em massa) no Fe-N-C, preservando as propriedades físico-químicas da matriz. Experimentos em eletrólito ácido demonstraram que a incorporação das NPs de Pt reduziu significativamente a formação de H2O2, enquanto testes em eletrodo de difusão gasosa com espectrometria de massas com plasma indutivamente acoplado evidenciaram menor dissolução de Fe. A durabilidade aprimorada foi confirmada em um sistema CAC-MTP, onde a estabilização parcial dos sítios Fe-N4 foi observada por espetroscopia 57Fe Mössbauer. A hibridização foi validada em outros eletrocatalisadores Fe-N-C. Por fim, cálculos indicaram que o efeito estabilizador das NPs de Pt decorre de uma modulação eletrônica, sem necessidade de interação direta com sítios Fe-N4. Além de avançar na compreensão dos mecanismos de degradação dos eletrocatalisadores Fe-N-C, esta tese apresenta uma solução prática para reduzir o uso de metais preciosos em CACs.