Catalizadores de hierro atómico único para la reducción de oxígeno en medios ácidos: control del tamaño de las...

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• La electroquímica
• Catálisis

Sus antecedentes:

• El reemplazo de los catalizadores de metal del grupo del platino (PGM) por materiales abundantes en la tierra es fundamental para la adopción generalizada de las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC).
• La reacción de reducción de oxígeno (ORR) en medios ácidos es un desafío clave para el rendimiento y la durabilidad de PEMFC.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar un catalizador atómico de hierro (Fe) libre de PGM de alto rendimiento para la ORR en medios ácidos.
• Elucidar el mecanismo de formación y la estructura del sitio activo del catalizador de Fe derivado de las estructuras de imidazolato zeolítico (ZIF).

Principales métodos:

• Síntesis de ZIFs dopados químicamente con Fe seguido de una activación térmica en un solo paso para crear sitios atómicos de Fe incrustados en carbono poroso.
• Ajuste del tamaño de las partículas del catalizador (20-1000 nm) mediante el control del tamaño del nanocristal precursor ZIF.
• Correlación de la actividad ORR con los cambios de enlace químico durante la activación térmica hasta 1100 °C utilizando una caracterización avanzada.

Principales resultados:

• Se logró un catalizador de Fe atómico de alto rendimiento con tamaño de partícula ajustable, demostrando una actividad ORR óptima a 50 nm.
• Se identificó la temperatura de formación crítica de los sitios activos a 800 °C, asociada con las especies de FeN4 (Fe2+ unido al N piridínico).
• El mejor catalizador exhibió un potencial de media onda de 0,85 V frente a RHE en 0,5 M H2SO4, con solo una brecha de 30 mV en comparación con Pt/C, y mostró una mayor estabilidad.

Conclusiones:

• El catalizador de Fe atómico desarrollado derivado de ZIFs Fe-dopados muestra una gran promesa como una alternativa libre de PGM para ORR en medios ácidos.
• El control preciso del tamaño del catalizador y la estructura del sitio activo es crucial para optimizar el rendimiento de ORR.
• Este trabajo proporciona una vía para diseñar catalizadores eficientes y estables libres de PGM para futuras aplicaciones de PEMFC.