Mejora de la conversión electrocatalítica de nitrógeno en amoníaco en estructuras orgánicas conjugadas...

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• La electroquímica
• Catálisis

Sus antecedentes:

• La reacción electroquímica de reducción de nitrógeno (RRN) ofrece una alternativa sostenible al proceso Haber-Bosch para la producción de amoníaco.
• Los materiales de carbono dopados con heteroátomos metálicos son electrocatalizadores NRR prometedores, pero mejorar la actividad y la selectividad al mismo tiempo sigue siendo un desafío.
• Los principios de diseño precisos para adaptar los sitios activos en los electrocatalizadores NRR no se comprenden completamente.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar electrocatalizadores nuevos, definidos y eficaces para el NRR electroquímico.
• Investigar las estructuras orgánicas covalentes conjugadas bidimensionales cristalinas (2D c-COF) con centros M-N4-C como electrocatalizadores NRR.
• Comprender la relación estructura-actividad para optimizar el rendimiento de la NRR.

Principales métodos:

• Síntesis de 2D c-COFs que incorporan varios centros M-N4-C (M = Fe, Co, Ni, Mn, Zn, Cu) utilizando unidades de metal-ftalocianina y pireno.
• Evaluación electroquímica de la actividad y la selectividad de la NRR, incluida la tasa de rendimiento de amoníaco y la eficiencia Faradaic.
• Técnicas de caracterización in situ (espectroscopia de absorción de rayos X, espectroelectroquímica de Raman) y cálculos teóricos.

Principales resultados:

• Los 2D c-COFs sintetizados con centros Fe-N4-C exhibieron una actividad y selectividad NRR significativamente mejoradas.
• El catalizador Fe-N4-C logró una tasa de rendimiento de amoníaco de 33,6 μg h-1 mg-1 y una eficiencia Faradaic del 31,9% a -0,1 V frente a RHE.
• Los estudios y cálculos in situ revelaron que los centros Fe-N4-C poseen una estructura electrónica única que facilita la activación de N2 y la cinética NRR.

Conclusiones:

• Los c-COFs cristalinos 2D con centros M-N4-C son electrocatalizadores muy eficaces para la NRR.
• El centro Fe-N4-C demuestra un rendimiento superior, posicionándolo entre los mejores electrocatalizadores NRR informados.
• Este trabajo proporciona información fundamental sobre los mecanismos de RNR en los sitios de M-N-C, allanando el camino para el diseño de catalizadores de RNR avanzados.