Zn/Co-N-C dispersado atómicamente como electrocatalizadores ORR para pilas de combustible alcalinas

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• La electroquímica
• Catálisis

Sus antecedentes:

• Las pilas de combustible de hidrógeno son cruciales para la energía sostenible, pero requieren electrocatalizadores eficientes para la reacción de reducción de oxígeno (ORR).
• El desarrollo de catalizadores de metales no preciosos de bajo costo, duraderos y de alto rendimiento es esencial para el avance de la tecnología de celdas de combustible.

Objetivo del estudio:

• Diseñar y sintetizar nuevos catalizadores de un solo átomo de metal-orgánico (SAC) para mejorar la cinética ORR.
• Investigar el mecanismo catalítico y identificar los sitios activos en las SAC de Zn/Co-N-C para pilas de combustible alcalinas.

Principales métodos:

• Síntesis de catalizadores de un solo átomo de Zn/Co-N-C derivados del marco metálico-orgánico.
• Caracterización electroquímica, incluido el potencial de media onda y las pruebas de estabilidad.
• Operando espectroscopia de absorción de rayos X y cálculos teóricos (modelado microcinético, desplazamiento a nivel del núcleo) para conocimientos mecanicistas.

Principales resultados:

• Los SAC de Zn/Co-N-C demostraron una actividad ORR superior (E1/2 = 0,938 V frente a RHE) y una excelente estabilidad (ΔE1/2 = -8,5 mV después de 50k ciclos).
• Logró una densidad de potencia máxima récord de ~ 1 W cm-2 en pilas de combustible alcalinas.
• Co-N4 identificado como el sitio activo primario, con unión de oxígeno para formar una fracción Oads-Co-N4 durante ORR, respaldado por datos experimentales y teóricos.

Conclusiones:

• El estudio presenta un catalizador de un solo átomo de metal dual no precioso de alto rendimiento para ORR.
• Proporciona una comprensión mecanicista completa de los sitios activos y el proceso catalítico.
• Abre el camino para el diseño de electrocatalizadores avanzados de un solo sitio para pilas de combustible y otras aplicaciones de energía.