La alteración de los campos de ligandos en sitios de un solo átomo a través de la modulación aniónica de la segunda...

Área de la Ciencia:

• La electrocatálisis
• Ciencias de los materiales
• Nanotecnología

Sus antecedentes:

• Los catalizadores de un solo átomo (SAC) con fracciones de metal-N4 en soportes de carbono (M-N-C) son prometedores para la reacción de reducción de oxígeno (ORR).
• Los catalizadores M-N-C de metal de transición 4d y 5d ofrecen una mayor durabilidad y resistencia a las reacciones de Fenton en comparación con las contrapartes 3d.
• La mejora de la actividad ORR de los catalizadores TM4d,5d-N-C requiere un ajuste preciso de los entornos de campo de ligando.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar una estrategia para modular el campo de ligando de sitios TM4d,5d de un solo átomo para mejorar las propiedades catalíticas.
• Investigar el efecto de la coordinación de aniones de azufre en la estructura y el rendimiento ORR de los catalizadores de un solo átomo de rutenio-nitrógeno-carbono (Ru-N-C).
• Evaluar la actividad catalítica, la durabilidad y el rendimiento en baterías de metal-aire del catalizador Ru-N-C coordinado con aniones S.

Principales métodos:

• Utilizando Ru-N-C de un solo átomo como sistema modelo.
• El uso de una estrategia de coordinación de aniones de azufre para modificar la estructura del catalizador.
• Realizar cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) para comprender la estructura electrónica y los mecanismos de reacción.
• Fabricación y ensayo de baterías metal-aire con el catalizador modificado.

Principales resultados:

• Los aniones de azufre se coordinan con los átomos de nitrógeno en la segunda capa de los centros Ru, ajustando efectivamente la configuración electrónica de los sitios Ru.
• El catalizador Ru-N-C coordinado con aniones S presenta una actividad ORR significativa y una durabilidad excepcional a largo plazo.
• El rendimiento supera a los catalizadores Pt/C comerciales y a la mayoría de los catalizadores de un solo átomo.
• Los cálculos de DFT indican una menor energía de adsorción de los intermediarios ORR en los sitios de Ru, lo que explica la mayor actividad.
• Las baterías de metal-aire demuestran una cinética rápida y una excelente estabilidad utilizando el catalizador Ru-N-C coordinado con aniones S.

Conclusiones:

• La coordinación de aniones de azufre es una estrategia eficaz para ajustar el campo de ligando y mejorar el rendimiento ORR de los catalizadores de metal de transición 4d/5d de un solo átomo.
• El catalizador Ru-N-C coordinado con aniones S desarrollado representa una alternativa muy prometedora a los electrocatalizadores ORR tradicionales.
• Este enfoque ofrece una vía para diseñar catalizadores avanzados de un solo átomo para aplicaciones de conversión de energía.