Diseño de sitios de doble metal N-coordinados: un catalizador estable y activo sin Pt para la reacción de reducción de oxígeno ácido

Área de la Ciencia:

• La electroquímica
• Ciencias de los materiales
• Catálisis

Sus antecedentes:

• La reacción de reducción de oxígeno (ORR) es crítica para el rendimiento de la pila de combustible.
• Los catalizadores a base de platino son muy eficaces, pero son caros y escasos.
• El desarrollo de alternativas eficientes y rentables es un objetivo clave de la investigación.

Objetivo del estudio:

• Diseñar y sintetizar un nuevo electrocatalizador para la reacción de reducción de oxígeno (ORR) en medios ácidos.
• Investigar la actividad ORR y la estabilidad de los sitios duales Fe-Co incrustados en el carbono poroso dopado con N.
• Comparar el rendimiento del catalizador desarrollado con los catalizadores comerciales de platino y otras alternativas informadas.

Principales métodos:

• Se empleó una estrategia de anfitrión-invitado para construir el electrocatalisador.
• Los sitios duales de Fe-Co se incrustaron en un soporte de carbono poroso dopado con nitrógeno.
• Se utilizaron técnicas electroquímicas para evaluar la actividad y la estabilidad de ORR.
• Se realizaron cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) para comprender el mecanismo catalítico.

Principales resultados:

• El catalizador de Fe-Co de doble ubicación exhibió una excelente actividad ORR, con potenciales de inicio y media onda comparables a los Pt/C comerciales.
• Las pruebas de pilas de combustible mostraron un rendimiento superior del catalizador (Fe, Co) /N-C en H$_{2}$/O$_{2}$ y H$_{2}$/aire en comparación con la mayoría de los catalizadores libres de Pt.
• El catalizador demostró una notable estabilidad a largo plazo durante 50.000 ciclos en mediciones de electrodos y 100 horas en operación de una sola célula H$_{}$/aire.
• Los cálculos de DFT indicaron que los sitios metálicos duales facilitan la activación del enlace O-O, crucial para la vía ORR de cuatro electrones.

Conclusiones:

• El electrocatalizador de doble sitio Fe-Co desarrollado es una alternativa altamente activa y estable al platino para la reacción de reducción de oxígeno en electrolitos ácidos.
• La estrategia de síntesis anfitrión-invitado proporciona una ruta efectiva para la creación de electrocatalizadores avanzados.
• El efecto sinérgico de los sitios duales Fe-Co en el carbono dopado con N es clave para lograr un alto rendimiento y durabilidad ORR.