Monocapas de Metaloporfirinas como Plataformas Sintonizables para la Electroreducción de CO2

Área de la Ciencia:

• Electroquímica
• Ciencia de Materiales
• Química de Superficies

Sus antecedentes:

• La reducción electroquímica de CO2 (CO2RR) es crucial para la energía sostenible, pero la comprensión de las relaciones estructura-actividad del catalizador en las interfaces de los electrodos sigue siendo un desafío.
• Los catalizadores moleculares heterogeneizados ofrecen sitios activos sintonizables, pero el control preciso de su organización es difícil.
• La definición precisa de la distribución del sitio activo, la densidad superficial y la organización estructural es clave para optimizar el rendimiento de CO2RR.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar sistemas modelo estructuralmente bien definidos para estudiar la reducción electroquímica de CO2 (CO2RR).
• Investigar el impacto de la distribución del sitio activo y la composición de la superficie en el rendimiento de CO2RR.
• Establecer una plataforma para investigar las relaciones estructura-actividad en catálisis molecular con alta precisión.

Principales métodos:

• Fabricación de monocapas autoensambladas de metaloporfirinas (Fe y Cu) sobre electrodos de grafito.
• Microscopía de túnel de barrido (STM) de alta resolución para caracterizar la estructura de la monocapa, la distribución del sitio activo y la composición de la superficie.
• Mediciones de reducción electroquímica de CO2 (CO2RR), incluida la determinación de la eficiencia de Faradaic (FE) y experimentos de marcado isotópico.
• Construcción y análisis de monocapas bicomponentes para estudiar las relaciones composición-actividad.

Principales resultados:

• Se observaron monocapas de metaloporfirinas cristalinas y distribuidas uniformemente con periodicidades de ~1.5 nm mediante STM.
• Las monocapas de Fe-porfirina mostraron eficiencias de Faradaic (FEs) más altas para la producción de CO en comparación con los análogos de Cu-porfirina.
• El marcado isotópico confirmó que el CO producto se origina de la fuente de CO2.
• La actividad de CO2RR disminuyó sistemáticamente con el aumento de la cobertura de porfirina catalíticamente inactiva en monocapas bicomponentes.

Conclusiones:

• Las monocapas de porfirinas molecularmente ordenadas sirven como una plataforma eficaz para la investigación precisa de las relaciones estructura-actividad en la reducción electrocatalítica de CO2.
• La STM proporciona una evaluación cuantitativa de la composición y estructura de la superficie, crucial para comprender el rendimiento del catalizador.
• Este enfoque permite estudios detallados de catálisis molecular, allanando el camino para catalizadores de CO2RR optimizados.