Actividad de autoajuste inducida por el intermediario de reacción intrínseca en catalizadores monoatómicos Fe-N-C

Área de la Ciencia:

• Catálisis
• Ciencias de los materiales
• La electroquímica

Sus antecedentes:

• Los catalizadores de un solo átomo Fe-N-C (SAC) son muy activos para la reacción de reducción de oxígeno (ORR).
• El mecanismo catalítico exacto y la desviación de los potenciales pronosticados de los resultados experimentales dificultan el desarrollo de SAC ideales.

Objetivo del estudio:

• Para aclarar el mecanismo ORR en Fe-N-C SAC utilizando cálculos de los primeros principios.
• Investigar el papel de los intermediarios intrínsecos en el proceso catalítico.
• Proporcionar orientación para el diseño de SAC de alto rendimiento.

Principales métodos:

• Los cálculos de los primeros principios se utilizaron para desarrollar un modelo microkinético para la ORR en las SAC Fe-N-C.
• El modelo analizó el comportamiento del sitio activo FeN4 y sus intermedios.
• Se utilizó el análisis de densidad de corriente parcial para determinar las vías de reacción dominantes.

Principales resultados:

• Se identificó un mecanismo de autoajuste, en el que un intermediario OH* modifica el sitio activo FeN4 a Fe(OH) N4.
• Esta fracción de Fe ((OH) N4 optimiza la unión intermedia, lo que lleva a un potencial teórico de media onda de ~ 0.88 V.
• Se encontró que la vía ORR asociativa dominaba sobre las vías disociativas para Fe-N-C, Mn-N-C y Co-N-C SAC.

Conclusiones:

• Los intermedios intrínsecos juegan un papel crucial en la catálisis de un solo átomo y deben considerarse para una aclaración precisa del mecanismo.
• El sitio activo Fe ((OH) N4 es clave para la alta actividad ORR observada en las SAC Fe-N-C.
• Este estudio ofrece ideas para el diseño racional de SAC avanzados para aplicaciones energéticas.