Cómo el pH del electrolito afecta la reacción de reducción de oxígeno

Área de la Ciencia:

• La electroquímica
• Ciencias de los materiales
• Catálisis

Sus antecedentes:

• El pH del electrolito es un factor crítico que influye en la cinética y la selectividad de la reacción de reducción de oxígeno (ORR).
• Los mecanismos precisos por los cuales el pH afecta las tasas de ORR de manera diferente en varios catalizadores siguen sin estar claros.
• La comprensión de estos efectos dependientes del pH es crucial para el diseño de electrocatalizadores eficientes.

Objetivo del estudio:

• Para aclarar las razones fundamentales detrás de la sensibilidad al pH variable de las tasas de ORR en diferentes catalizadores metálicos.
• Investigar el papel de los campos eléctricos en la interfaz catalizador-electrolito en la mediación de los efectos del pH.
• Para correlacionar los cambios en las energías de unión intermedias con las variaciones observadas de la velocidad ORR.

Principales métodos:

• Estudios cinéticos experimentales de la ORR en varios electrodos metálicos (Pt, Ir, Ru, Pd, Au, Ag).
• Simulaciones atómicas para modelar los efectos del campo eléctrico y las energías de unión intermedias.
• Análisis de las etapas de transferencia de electrones acoplados a protones (PCET) y no PCET en el mecanismo ORR.

Principales resultados:

• Las tasas de ORR en metales de fuerte unión (Pt, Ir, Ru, Pd) muestran una débil dependencia del pH, ya que las energías de unión intermedias se ven mínimamente afectadas por los campos eléctricos.
• Las tasas de ORR en metales de enlace débil (Au, Ag) aumentan significativamente en electrolitos alcalinos debido a la estabilización del O2 adsorbido por campos eléctricos negativos.
• El paso que determina la velocidad de la ORR no se ve alterado por el pH, pero la barrera de activación para la adsorción de O2 disminuye con catalizadores de unión débil.

Conclusiones:

• Los efectos del pH en la ORR son impulsados principalmente por cambios inducidos por el campo eléctrico en las energías de unión intermedias.
• Los catalizadores de fuerte unión muestran una baja sensibilidad al pH, mientras que los catalizadores de débil unión muestran una alta sensibilidad.
• La adaptación del pH del electrolito puede ajustar la cinética de la ORR modificando las barreras de adsorción, especialmente para los materiales de unión débil.