Desentrañar el rendimiento de reducción de oxígeno dependiente del pH en catalizadores de un solo átomo: de uno a dos...

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• La electroquímica
• Catálisis

Sus antecedentes:

• Los catalizadores de un solo átomo de metal-nitrógeno-carbono (M-N-C) son alternativas prometedoras a los catalizadores del grupo de platino para la reacción de reducción de oxígeno (ORR).
• Los aspectos clave como la actividad dependiente del pH, la selectividad de la vía de reacción y las etapas que determinan la velocidad en los SAC M-N-C para la ORR requieren una mayor aclaración.

Objetivo del estudio:

• Investigar la actividad y los mecanismos de reacción dependientes del pH de los SAC M-N-C para la ORR.
• Proporcionar una comprensión teórica y experimental del comportamiento del catalizador M-N-C en diferentes entornos de pH.
• Refinar los principios de diseño del catalizador basados en el rendimiento electroquímico dependiente del pH.

Principales métodos:

• Análisis computacional de más de 100 estructuras M-N-C y 2000 conjuntos energéticos.
• Modelado teórico de los volcanes de actividad ORR dependientes del pH y las interacciones de los adsorbados.
• Síntesis y caracterización experimental de catalizadores moleculares M-N-C con entornos de coordinación definidos.

Principales resultados:

• Desveló una evolución dependiente del pH de los volcanes de actividad ORR, cambiando de un solo pico en medio alcalino a un doble pico en medio ácido.
• Se atribuye este comportamiento a los momentos dipolares moderados, la polarizabilidad de los adsorbados O* y HOO* y las relaciones únicas de escala de adsorbados.
• La validación experimental confirmó las predicciones teóricas para la corriente cinética, la pendiente de Tafel y la frecuencia de rotación tanto en condiciones ácidas como alcalinas.

Conclusiones:

• El estudio proporciona información fundamental sobre el rendimiento dependiente del pH de los SAC M-N-C para la ORR.
• Demostró la importancia de considerar los efectos del pH y las interacciones del adsorbado en el diseño del catalizador.
• Refinado el principio de Sabatier para catalizadores M-N-C, haciendo hincapié en la evitación de una "trampa de ácido" para aplicaciones electroquímicas óptimas.