La coordinación del hierro en aleaciones de alta entropía PtFeCoNiMo modula los entornos locales de platino para la...

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• La electroquímica
• Catálisis

Sus antecedentes:

• El desarrollo de electrocatalizadores estables y rentables para la reacción de evolución del hidrógeno (HER) en todos los valores de pH sigue siendo un desafío importante.
• Los catalizadores a base de platino son muy eficaces pero caros, lo que limita su aplicación generalizada en la producción de hidrógeno.
• Los catalizadores de metales no preciosos existentes a menudo sufren de una actividad, estabilidad o universalidad de pH limitadas.

Objetivo del estudio:

• Diseñar y sintetizar un nuevo electrocatalizador rentable y de pH universal para la reacción de evolución del hidrógeno.
• Investigar los efectos sinérgicos de la incorporación de hierro en una aleación de alta entropía de platino-cobalto-níquel-molibdeno (HEA) para mejorar el rendimiento de HER.
• Elucidar las relaciones estructura-actividad y los mecanismos catalíticos mediante métodos experimentales y computacionales.

Principales métodos:

• Síntesis de una sola vasija de un catalizador de aleación de alta entropía Pt-Fe-Ni-Mo-Co apoyado en Ketjen Black (HEA@KB) con apilamiento controlado de nanopartículas.
• Caracterización electroquímica, incluidas las curvas de polarización y la espectroscopia de impedancia electroquímica, en electrolitos ácidos, alcalinos y neutros.
• Cálculos de la Teoría Funcional de Densidad (DFT) para analizar las modificaciones de la estructura electrónica, las energías de enlace y la dinámica de transferencia de carga.
• Microscopía electrónica (por ejemplo, TEM, SEM) para estudiar la morfología del catalizador, el tamaño de las nanopartículas y las características de apilamiento.

Principales resultados:

• El catalizador HEA@KB optimizado exhibió una excelente actividad de HER con bajos sobrepotenciales: 12,44 mV (ácido), 61,35 mV (alcalino) y 55,71 mV (neutro) a 10 mA cm−2.
• El rendimiento superó significativamente el de los catalizadores comerciales de 20% de Pt/C en todo el rango de pH analizado.
• Los cálculos de DFT revelaron que la incorporación de hierro optimiza los sitios activos de Pt al debilitar los enlaces Pt-H (paso Tafel) y mejorar la transferencia de electrones (paso Volmer) a través de una mayor densidad de estados y una coordinación optimizada.
• La microscopía electrónica confirmó que el contenido de hierro controla el apilamiento de nanopartículas, aumentando la superficie electroquímica activa.

Conclusiones:

• El catalizador Pt-Fe-Ni-Mo-Co HEA@KB desarrollado demuestra una notable actividad y estabilidad de HER con pH universal.
• La incorporación de hierro juega un doble papel crucial en la mejora de la cinética de HER mediante la modulación de la estructura electrónica y la promoción de una morfología favorable.
• Este trabajo proporciona una estrategia prometedora para el diseño de electrocatalizadores avanzados de aleación de baja platino y alta entropía para la producción eficiente de hidrógeno.