Información directa a nivel atómico sobre los sitios activos de un catalizador ORR de alto rendimiento sin PGM

Área de la Ciencia:

• La electroquímica
• Ciencias de los materiales
• Catálisis

Sus antecedentes:

• Los catalizadores libres de metales del grupo del platino son cruciales para reducir el coste de las pilas de combustible de electrolitos poliméricos (PEFC).
• Los desafíos clave incluyen la identificación de los sitios activos para la reacción de reducción de oxígeno (ORR) y el logro de un rendimiento competitivo en las pilas de combustible de hidrógeno-aire en condiciones automotrices.

Objetivo del estudio:

• Demostrar las mejoras de rendimiento en las pilas de combustible de hidrógeno-aire utilizando un catalizador de hierro-nitrógeno-carbono.
• Identificar y visualizar los sitios activos catalíticos responsables de la reacción de reducción del oxígeno.

Principales métodos:

• Síntesis de un catalizador de hierro-nitrógeno-carbono utilizando dos precursores de nitrógeno, lo que resulta en una porosidad jerárquica.
• Evaluación del rendimiento en una pila de combustible de hidrógeno-aire, comparando las densidades de corriente con un cátodo de platino.
• Visualización directa del sitio catalítico activo propuesto (FeN4) mediante microscopía electrónica de transmisión de barrido corregida por aberración.
• Exploración computacional de sitios activos y su relación con las estructuras de carbono.

Principales resultados:

• El catalizador de hierro-nitrógeno-carbono sintetizado demostró un rendimiento comparable al de un cátodo de platino a una carga de 0,1 mg Pt/cm2 en la región cinética (voltaje > 0,75 V).
• Se visualizó directamente el sitio activo de hierro nitrogenado (FeN4) incrustado en el carbono.
• El análisis computacional proporcionó información sobre el papel de las estructuras de carbono específicas asociadas con los sitios activos.

Conclusiones:

• Los catalizadores de hierro-nitrógeno-carbono con porosidad jerárquica pueden lograr un rendimiento competitivo en PEFC, rivalizando con los catalizadores basados en platino.
• La visualización directa y el análisis computacional confirmaron el sitio FeN4 como el componente activo clave para la reacción de reducción de oxígeno.