Revelando el paso de determinación de la velocidad dependiente del potencial de la reacción de reducción de oxígeno...

Área de la Ciencia:

• La electroquímica
• Ciencias de los materiales
• Química computacional

Sus antecedentes:

• Los catalizadores de un solo átomo (SAC) son prometedores para reemplazar el platino en las reacciones de reducción de oxígeno (ORR).
• Comprender los mecanismos de reacción y las etapas de determinación de la velocidad (RDS) de los SAC es crucial para la optimización, pero sigue siendo un desafío.
• Los modelos existentes suelen suponer un RDS invariante, que puede no reflejar las condiciones de funcionamiento realistas.

Objetivo del estudio:

• Investigar las energías libres dependientes del potencial de la ORR en un catalizador de un solo átomo de hierro apoyado en grafeno dopado con nitrógeno (Fe-N4/C).
• Para aclarar el verdadero paso de determinación de la velocidad (RDS) de la ORR en SAC a través de un rango de potenciales.
• Para revelar el papel de la adsorción dinámica de agua en la cinética ORR en SAC.

Principales métodos:

• Se emplearon simulaciones de dinámica molecular para estudiar la energética de la reacción.
• Se utilizó un método de integración termodinámica para calcular los paisajes de energía libre.
• El modelado microkinético se integró con los datos de simulación para analizar las vías de reacción e identificar el RDS.

Principales resultados:

• Se ha demostrado que la RDS de la ORR en Fe-N4/C es dependiente del potencial y no invariante.
• A bajos potenciales, la desorción de agua es el RDS; a potenciales más altos, cambia a pasos de protonación (*OH, O2 *, O *).
• La adsorción dinámica del agua juega un papel clave en la facilitación de la liberación del sitio y la mejora de las tasas de ORR.

Conclusiones:

• El estudio resuelve las controversias con respecto a la RDS de ORR en SAC.
• Destaca que el paso con la exotermia más baja no siempre es el RDS.
• Examinar las barreras cinéticas bajo potenciales realistas es esencial para comprender y mejorar el rendimiento electrocatalítico del SAC.