Reducción de oxígeno ácido por catalizadores de un solo átomo de Fe en soportes curvos

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• La electroquímica
• Catálisis

Sus antecedentes:

• El desarrollo de electrocatalizadores rentables para pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) es crucial.
• Los catalizadores metálicos del grupo del platino son eficaces pero caros.
• Los catalizadores de hierro-nitrógeno-carbono (Fe/N-C) existentes se enfrentan a problemas de actividad y durabilidad debido a la adsorción intermedia y las reacciones de Fenton.

Objetivo del estudio:

• Diseñar y desarrollar un nuevo electrocatalizador Fe/N-C con mayor actividad y durabilidad para los PEMFC.
• Para abordar las limitaciones de los catalizadores actuales de Fe/N-C, específicamente la unión intermedia fuerte y la desmetalización de Fe.
• Para lograr un alto rendimiento en PEMFC libres de metales del grupo del platino.

Principales métodos:

• Síntesis de un nuevo catalizador Fe/N-C con nanoprotusiones en capas de carbono 2D.
• Incorporación de sitios de un solo átomo de Fe dentro de la superficie curva interna de las nanoprotusiones.
• Utilizando una capa externa de carbono grafitada en nanoprotusiones para modificar la unión intermedia y la producción de radicales.

Principales resultados:

• El nuevo catalizador Fe/N-C exhibe una nanoestructura única con nanoprotusiones dispersas.
• Los sitios de un solo átomo de Fe están anclados principalmente dentro de las superficies curvas internas de las nanoprotusiones.
• La capa de carbono exterior grafitada debilita efectivamente la unión intermedia oxigenada y reduce la generación de radicales hidroxilo.
• Se logró una densidad de potencia récord de 0,75 W cm-2 en un PEMFC H2-aire.
• Se ha demostrado una retención de actividad del 86% después de más de 300 horas de operación.

Conclusiones:

• El catalizador Fe/N-C diseñado representa un avance significativo en los electrocatalizadores libres de metales del grupo platino.
• La nanoestructura y la integración del sitio del átomo de Fe mejoran efectivamente el rendimiento catalítico y la durabilidad.
• Este desarrollo allana el camino para las pilas de combustible más rentables y de alto rendimiento.