Desentrañar la evolución dinámica del estado de espín bajo de los sitios de un solo átomo de Fe para una eficiente...

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• La electroquímica
• Catálisis

Sus antecedentes:

• La adaptación de la estructura electrónica de los catalizadores monoatómicos es crucial para mejorar la reactividad y comprender los mecanismos de reacción en la catálisis.
• La reducción electroquímica de dióxido de carbono (CO2RR) es un proceso clave para la producción sostenible de energía y productos químicos, pero se necesitan catalizadores eficientes.

Objetivo del estudio:

• Diseñar y sintetizar un nuevo catalizador de hierro monoatómico con una estructura electrónica controlada con precisión para mejorar el rendimiento del CO2RR.
• Para aclarar el mecanismo impulsado por el espín subyacente a la actividad catalítica mejorada para CO2RR.

Principales métodos:

• Construcción covalente de sitios de un solo átomo de Fe con puente de oxígeno en nanotubos de carbono.
• Caracterización electroquímica que incluye mediciones de eficiencia Faradaic y frecuencia de rotación.
• Las técnicas espectroscópicas operando (Mössbauer, absorción de rayos X, Raman, ATR-SEIRAS) y los cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT).

Principales resultados:

• El catalizador sintetizado, dominado por sitios de bajo espín Fe (III), logró una eficiencia máxima de CO Faradaic del 99% y una frecuencia de rotación de 5,3 × 10^4 h^-1 a -0,7 V frente a RHE.
• Se observó un aumento significativo de > 20 veces en el rendimiento en comparación con los sitios de alto espín de Fe (III).
• Los estudios operando identificaron un mecanismo impulsado por el espín que involucra sitios de alto espín Fe (II) y de bajo espín Fe (II) generados in situ que dominan el CO2RR en diferentes potenciales.
• Los resultados espectroscópicos y DFT revelaron que los ligandos de ftalacianina reducidos debilitan la unión *CO en los sitios O-Fe (II) Pc- de LS, facilitando la CO2RR.

Conclusiones:

• Los sitios de un solo átomo de Fe con puente covalente de oxígeno en los nanotubos de carbono son catalizadores altamente eficientes para el CO2RR electroquímico.
• El rendimiento del catalizador está impulsado por un mecanismo dependiente del espín que involucra estados específicos de oxidación del hierro e interacciones del ligando.
• El control preciso de la estructura electrónica de los catalizadores de un solo átomo es una estrategia viable para aumentar el rendimiento catalítico y comprender las vías de reacción.