A rápida expansão dos centros de dados nos Estados Unidos está a colocar uma pressão crescente sobre o fornecimento de energia do país. Essas instalações exigem enormes quantidades de energia não apenas para operar seus equipamentos de computação, mas também para mantê-los resfriados. O Electric Power Research Institute estima que os data centers poderão contribuir com até 9% da geração anual de eletricidade dos EUA até 2030, em comparação com 4% da demanda total de eletricidade em 2023.
Os pesquisadores agora estão procurando maneiras de reduzir parte desse estresse. A equipe de Elvera e William R. A liderada pelo professor Gang Wu de Stuckenberg desenvolveu uma abordagem que poderia melhorar as células de combustível de baixa temperatura e potencialmente expandir seu uso como fonte alternativa de eletricidade.
A equipe de pesquisa também incluiu cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven, do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, da Northeastern University e da Universidade de Pittsburgh. Suas descobertas foram publicadas em 6 de agosto de 2026 nanotecnologia da natureza.
“Se um centro de dados for capaz de fornecer a sua própria electricidade utilizando células de combustível, converterá directamente hidrogénio e outros combustíveis em electricidade, reduzindo a carga sobre a rede energética”, disse Wu.
Tornando as células de combustível mais eficientes e sustentáveis
As células de combustível produzem eletricidade combinando hidrogênio e oxigênio. Este processo também produz água e calor. Os catalisadores ajudam a acelerar esta reação ao mesmo tempo que limitam as perdas de energia e apoiam um desempenho mais forte e uma vida operacional mais longa.
Projetar o catalisador certo continua sendo um grande desafio. Os catalisadores de células de combustível existentes ainda lutam para fornecer a combinação de atividade e durabilidade necessária para atender às metas críticas de desempenho.
A platina é considerada um dos materiais catalisadores mais eficazes, mas também é um metal precioso. Portanto, os pesquisadores querem usar o mínimo possível de platina sem reduzir a eficácia do catalisador durante a conversão e armazenamento de energia.
Uma maneira de mover pequenas quantidades de platina é convertê-la em nanopartículas. Quebrar a platina em partículas extremamente pequenas aumenta dramaticamente a quantidade de superfície exposta a reações químicas. Isto torna possível a utilização de quantidades muito pequenas de metal, normalmente menos de um quarto de miligrama por centímetro quadrado.
O problema é que as nanopartículas de platina podem mudar durante a operação da célula de combustível. Eles podem se desintegrar, mover-se para locais diferentes e tornar-se maiores, causando um declínio gradual no desempenho.
Um desafio de catalisador de platina a longo prazo
Recentemente, os catalisadores intermetálicos de platina surgiram como uma alternativa promissora às ligas convencionais de platina, pois podem proporcionar melhor atividade e estabilidade.
No entanto, prepará-los envolve outro compromisso difícil. Para manter as nanopartículas pequenas, distribuídas uniformemente e eficientes no uso da platina, os pesquisadores normalmente mantêm os materiais em temperaturas abaixo de 700 graus Celsius. Essas temperaturas são frequentemente muito baixas para desencadear completamente a transição do arranjo atômico desordenado para um arranjo ordenado mais elevado, o que é importante para maximizar a atividade e a durabilidade dos catalisadores intermetálicos.
Wu e seus colegas desenvolveram uma nova estrutura de carbono para superar esta limitação. O material consiste em conchas de carbono ocas e porosas contendo nanocanais radiais dispostos, bem como amplo espaço poroso e área de superfície.
Esta estrutura permite que um grande número de nanopartículas intermetálicas de platina-cobalto permaneçam densamente compactadas, mas distribuídas uniformemente. Também torna possível criar a estrutura intermetálica ordenada desejada em temperaturas muito altas, sem que as nanopartículas se aglomerem.
Desta forma, os investigadores conseguiram resolver um difícil compromisso entre alcançar uma estrutura atómica altamente ordenada e manter uma distribuição uniforme de partículas de catalisador muito pequenas.
“Nossa estratégia é usar esta nova nanoestrutura de carbono para sintetizar nanopartículas intermetálicas de platina-cobalto que podem reduzir o conteúdo de metais preciosos e aumentar a atividade e estabilidade”, disse Wu. “Tradicionalmente, haveria um compromisso entre tamanho e estabilidade, mas com o hospedeiro de nanocanais de carbono ordenado, as nanopartículas de platina-cobalto podem ser confinadas e permanecer estáveis em tamanhos de partículas muito pequenos, mesmo em altas temperaturas.”
Pequenos canais de carbono ajudam a platina a durar mais
Partículas maiores de catalisador podem melhorar a estabilidade, mas isso geralmente ocorre às custas da atividade. Outras abordagens que dão prioridade à actividade podem sacrificar a sustentabilidade a longo prazo.
A equipe de Wu tentou alcançar ambos criando suportes de carbono nanoestruturados com pequenos canais dispostos em um padrão radial. Os pesquisadores também controlaram cuidadosamente o tamanho e o volume dos poros.
Nos testes, o material manteve 85% do seu desempenho após 150.000 ciclos de tensão severa. Os pesquisadores estimam que isso pode corresponder a aproximadamente 25 mil horas de operação. A combinação de poros grandes, tamanho de poro cuidadosamente organizado e alta área superficial ajudou o catalisador a superar a compensação usual entre atividade e estabilidade.
“Por causa deste suporte especial nanoestruturado de carbono, podemos aquecer o catalisador de platina-cobalto até 1000 graus Celsius, o suficiente para criar uma estrutura muito bem ordenada, enquanto mantemos as nanopartículas menores que 5 nanômetros e bem dispersas, mesmo que o catalisador tenha o alto teor de platina preferido pela indústria”, disse Wu.
O aquecimento do catalisador a temperaturas tão altas ajudou seus átomos a formar a estrutura ordenada necessária para um desempenho robusto. Além disso, o suporte de carbono manteve as nanopartículas de platina-cobalto menores que 5 nanômetros e evitou que fossem distribuídas de forma desigual.
Um possível caminho para uma melhor potência da célula de combustível
A arquitetura do suporte de carbono proporciona benefícios adicionais além da estabilização das nanopartículas. Seus canais abertos ajudam os materiais envolvidos no transporte de íons a se espalharem de maneira mais uniforme pelos eletrodos. Eles também fornecem caminhos fáceis para a movimentação de prótons, oxigênio e água.
“A estrutura do canal aberto ajuda a dispersar uniformemente materiais contendo íons, como ionômeros, e facilita a movimentação de prótons, oxigênio e água através dos eletrodos”, acrescentou Wu. “Como resultado, as nanopartículas de platina-cobalto fabricadas neste suporte mostraram o melhor desempenho da categoria e durabilidade duradoura. Em última análise, por meio de maior desenvolvimento e colaboração com parceiros da indústria, seremos capazes de resolver os problemas remanescentes do catalisador e avançar significativamente nas tecnologias de células de combustível para alimentar nosso futuro de maneira mais eficiente e sustentável”.
Se o desenvolvimento for bem-sucedido, a tecnologia poderá ajudar a melhorar as células de combustível para aplicações que vão desde transporte até geração de energia. Especialmente para os centros de dados, as células de combustível poderiam proporcionar uma forma de gerar electricidade directamente a partir do hidrogénio ou de outros combustíveis, aliviando potencialmente parte do aumento da procura na rede eléctrica.
Wu registrou uma patente para a tecnologia por meio do WashU Office of Technology Management.
A pesquisa foi financiada pela Universidade de Washington em St. As instituições colaboradoras incluíram o Laboratório Nacional de Brookhaven, o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, a Northeastern University e a Universidade de Pittsburgh.
