Electrocatalizadores de ingeniería de un solo átomo para mejorar la cinética de la reacción ácida de Volmer

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• La electroquímica
• Química computacional

Sus antecedentes:

• El desarrollo de electrocatalizadores activos y de bajo costo para la reacción de evolución del hidrógeno (HER) es esencial para una infraestructura de energía limpia de hidrógeno.
• La trama del volcán de actividad, basada en el principio de Sabatier, ha guiado el diseño de catalizadores de metales nobles y aleaciones metálicas.
• La aplicación de la trama del volcán a electrocatalizadores de un solo átomo (SAEs) en grafeno dopado con nitrógeno (TM / N4C) para HER ha dado un éxito limitado debido a la naturaleza única de los sitios de un solo átomo de metal.

Objetivo del estudio:

• Investigar las limitaciones de la trama volcánica tradicional en el diseño de electrocatalisadores de un solo átomo (SAE) para la reacción de evolución del hidrógeno (HER).
• Elucidar los mecanismos subyacentes, incluidas las interacciones interfaciales, que afectan el rendimiento cinético de las SAE.
• Proponer un nuevo principio de diseño unificador para las EAS que incorpore factores termodinámicos y cinéticos para mejorar la conversión de energía del hidrógeno.

Principales métodos:

• Se utilizaron simulaciones de dinámica molecular ab initio y cálculos de energía libre para estudiar varios SAE (TM/N4C, donde TM representa metales de 3d, 4d o 5d).
• Analizó la influencia de las interacciones carga-dipolo entre los intermediarios de hidrógeno y las moléculas de agua interfaciales en la cinética de la reacción.
• Se realizaron mediciones electroquímicas experimentales para validar los hallazgos computacionales relativos al obstáculo cinético.

Principales resultados:

• Se identificaron fuertes interacciones carga-dipolo entre las moléculas H2O intermedias e interfaciales cargadas negativamente como un factor significativo.
• Se demostró que estas interacciones pueden aumentar dramáticamente la barrera cinética de la reacción ácida de Volmer, a pesar de la energía libre de adsorción de hidrógeno favorable.
• Confirmó la presencia de este obstáculo cinético a través de mediciones electroquímicas experimentales.

Conclusiones:

• La trama tradicional del volcán es insuficiente para diseñar SAE de alto rendimiento para HER debido a los efectos cinéticos interfaciales.
• Las interacciones interfaciales de las moléculas de agua juegan un papel crítico en la actividad catalítica de las EAS.
• Se propone un nuevo principio de diseño que combine consideraciones termodinámicas (energía de adsorción) y cinéticas (interacciones interfaciales) para la ingeniería de SAE superiores para la conversión de energía de hidrógeno.