La reacción de reducción de oxígeno en medios alcalinos causa lixiviación de hierro de electrocatalizadores Fe-N-C

Área de la Ciencia:

• La electroquímica
• Ciencias de los materiales
• Catálisis

Sus antecedentes:

• Los electrocatalizadores de hierro-nitrógeno-carbono (Fe-N-C) muestran una actividad similar a la del platino en medios alcalinos para pilas de combustible (FC).
• Demostrar una alta durabilidad y longevidad es crucial para la aplicación generalizada de FC.
• La comprensión limitada de las vías de degradación en condiciones operando impide el desarrollo de catalizadores estables de Fe-N-C.

Objetivo del estudio:

• Investigar la disolución del hierro (Fe) de los electrocatalizadores Fe-N-C en las condiciones pertinentes de las pilas de combustible.
• Establecer una relación cuantitativa entre la actividad electroquímica y la degradación del Fe.
• Introducir una nueva métrica para evaluar la estabilidad del electrocatalizador.

Principales métodos:

• Se utilizó una semicélula de electrodo de difusión de gas acoplada con espectrometría de masa de plasma acoplada inductivamente (ICP-MS).
• Funcionan en condiciones que imitan los entornos de FC, incluidas las capas de catalizadores porosos (CL) y altas densidades de corriente (-125 mA·cm^-2).
• Se varió la velocidad de reacción de reducción de oxígeno (ORR) para estudiar su efecto en la disolución de Fe.

Principales resultados:

• Se observó una correlación lineal entre la carga Faradaic total pasada y la cantidad de Fe disuelta.
• Esta correlación sugiere un vínculo mecanicista entre la disolución de ORR y Fe, posiblemente a través de intermediarios comunes en las transiciones redox de Fe.
• Se desarrolló una nueva métrica de estabilidad, el número S, basada en esta relación lineal.

Conclusiones:

• La disolución de Fe en electrocatalizadores Fe-N-C es directamente proporcional a la carga pasada durante el ORR.
• El número S proporciona una herramienta simple pero potente para la detección rápida de la estabilidad de los electrocatalizadores.
• Este trabajo mejora la comprensión mecanicista de la degradación de Fe-N-C en las capas de catalizador, facilitando el diseño de catalizadores más duraderos.