Origen de la producción selectiva de peróxido de hidrógeno por reducción electroquímica de oxígeno

Área de la Ciencia:

• La electroquímica
• Ciencias de los materiales
• Química computacional

Sus antecedentes:

• La reacción de reducción de oxígeno (ORR) es crucial en electroquímica, con dos vías desde el intermediario *-O-OH: peróxido de hidrógeno (H₂ O₂) o formación de agua.
• Los catalizadores existentes a menudo muestran una alta selectividad H₂O₂, contrariamente a las predicciones termodinámicas, y esta selectividad varía con el potencial y el pH, sin una explicación clara.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar un modelo avanzado de primeros principios para calcular la cinética de las reacciones electroquímicas en las interfaces sólido-agua.
• Aclarar los mecanismos subyacentes que rigen la selectividad de H₂O₂ en el ORR, en particular la influencia del potencial y el pH.

Principales métodos:

• Desarrolló y aplicó un avanzado modelo computacional de primeros principios para simular la cinética de la reacción electroquímica.
• Caminos de reacción investigados y barreras energéticas para la producción de H2O en catalizadores representativos.

Principales resultados:

• Se identificó que la ruptura del enlace O-OH puede poseer una barrera de energía más alta que la ruptura del enlace *-O debido a la rigidez del enlace.
• Se reveló que la afinidad de los protones con los átomos de oxígeno en el intermedio *-O-OH es el factor clave que determina la dependencia de la selectividad en el potencial y el pH.
• Demostró comportamientos distintos de adsorción de protones para un solo átomo de cobalto y catalizadores de carbono, explicando sus diferentes selectividades H₂O₂ bajo condiciones variables.

Conclusiones:

• La afinidad de protones es un factor crítico, no reconocido previamente, que controla la selectividad de la ORR.
• El modelo desarrollado explica con precisión la selectividad experimental H₂O₂ y su dependencia de factores externos.
• Este trabajo avanza en la comprensión de la cinética ORR y proporciona una nueva herramienta computacional para la electroquímica heterogénea.