Assembly of Graphene on SAMs and their performance to ORR.

No mundo da energia, a busca para transformar o oxigênio do ar em eletricidade é um desafio central. Este processo, conhecido como reação de redução de oxigênio, é o coração das células de combustível, dispositivos que poderiam alimentar desde carros até casas sem poluição. No entanto, fazer com que essa reação ocorra de forma eficiente geralmente requer metais caros como a platina. Cientistas buscam há muito tempo materiais mais baratos e abundantes que possam realizar o mesmo trabalho. Um candidato promissor é o grafeno, uma folha de carbono tão fina que possui apenas um átomo de espessura. Embora o grafeno conduza eletricidade lindamente, é difícil aderir a uma superfície de uma maneira útil, e ele frequentemente precisa de ajuda para se tornar um catalisador. Para resolver isso, pesquisadores recorreram a monocamadas autoestruturadas, que são camadas únicas de moléculas que se alinham automaticamente em uma superfície como azulejos em um chão. Ao combinar essas placas moleculares com o grafeno, os cientistas esperam criar uma plataforma estável e condutiva que possa abrigar outras moléculas para acelerar a reação.

Um pesquisador no Chile construiu recentemente tal sistema, criando um novo tipo de eletrodo que sobrepõe esses materiais com precisão. Eles começaram com uma superfície de ouro lisa e a revestiram com uma única camada de 4-MBT, uma molécula que atua como um espaçador molecular. Sobre essa camada, eles colocaram folhas de óxido de grafeno quimicamente reduzido, uma forma de grafeno que foi tratada para remover o oxigênio e restaurar sua capacidade de conduzir eletricidade. O grafeno não aderiu ao ouro diretamente; em vez disso, ele se assentou sobre as extremidades hidrofóbicas, ou repelentes à água, da camada do espaçador molecular. Isso criou uma estrutura semelhante a um sanduíche, onde o ouro foi separado do grafeno por um fino filme orgânico. O pesquisador então adicionou ftalocianina de ferro, uma molécula contendo ferro que é conhecida por ajudar a decompor o oxigênio, sobre as folhas de grafeno. Eles descobriram que esse arranjo específico permitiu que as moléculas de ferro se assentassem com segurança no grafeno, criando uma superfície que era muito melhor na redução de oxigênio do que tentativas anteriores.

Para entender o quão bem essa nova estrutura funcionou, o pesquisador realizou uma série de testes. Primeiro, eles verificaram a facilidade com que a eletricidade poderia se mover através das camadas. Quando colocaram o grafeno sobre o espaçador molecular, a resistência elétrica caiu significamente em comparação ao espaçador sozinho. Isso provou que as folhas de grafeno estavam atravessando o vão com sucesso, permitindo que os elétrons fluíssem livremente entre a base de ouro e o mundo exterior. Usando um microscópio especializado que mede a corrente elétrica na nanoescala, eles viram que o grafeno formava ilhas distintas e altamente condutivas através da superfície. Essas ilhas não eram perfeitamente planas; o microscópio revelou que as folhas de grafeno estavam dobradas e empilhadas em alguns pontos, criando uma paisagem rugosa e texturizada. Essa textura é importante porque as bordas e dobras do grafeno são frequentemente onde as reações químicas mais ativas acontecem.

O pesquisador então analisou a própria estrutura do grafeno usando técnicas baseadas em luz. A análise mostrou que o material estava cheio de minúsculos defeitos e irregularidades em sua rede de carbono. Em vez de ser uma falha, essas imperfeições são, na verdade, benéficas para esta aplicação, pois fornecem mais pontos para que as reações químicas ocorram. Quando adicionaram as moléculas contendo ferro a esta superfície de grafeno, os testes confirmaram que as moléculas haviam se fixado com segurança. Os átomos de ferro foram encontrados no estado químico correto para agir como um catalisador, e os átomos de nitrogênio dentro das moléculas estavam posicionados adequadamente para interagir com o grafeno.

Finalmente, o pesquisador testou a capacidade do sistema de reduzir o oxigênio em uma solução aquosa básica. Os resultados foram impressionantes. O novo eletrodo, com sua base de ouro, espaçador molecular, camada de grafeno e catalisador de ferro, iniciou o processo de redução de oxigênio em uma voltagem muito mais alta do que um eletrodo de controle que tinha o catalisador de ferro colocado diretamente no ouro. Essa mudança significou que o novo sistema exigia menos energia para iniciar a reação. Além disso, o novo eletrodo produziu uma corrente elétrica muito mais forte, indicando que estava convertendo o oxigênio em água de forma muito mais eficiente. Os dados sugeriram que a reação procedia através de uma via de quatro elétrons, que é a maneira mais eficiente de transformar oxigênio em água, evitando a produção de subprodutos prejudiciais. O estudo conclui que esta abordagem em camadas não altera a forma fundamental como a reação funciona, mas faz com que o processo ocorra de forma muito mais rápida e fácil. Ao usar o grafeno para restaurar a conexão elétrica e fornecer um lar estável para o catalisador, o pesquisador criou uma plataforma mais eficaz para a futura tecnologia de células de combustível.