Ruptura de la Capa de Solvatación Intermedia en Catalizadores de Átomo Único con un Perturbador de Grupo Próximo para...

Área de la Ciencia:

• Electrocatalisis
• Ciencia de Materiales
• Conversión de Energía

Sus antecedentes:

• El rendimiento electrocatalítico depende en gran medida del microambiente del sitio activo, especialmente de las redes de enlaces de hidrógeno.
• Ajustar esta red es un desafío en las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) debido a la disponibilidad limitada de cationes (solo protones).
• Las estrategias actuales a menudo se centran en la optimización del sitio activo, descuidando el entorno local del catalizador.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar una estrategia general para ajustar el microambiente de los catalizadores de átomo único.
• Mejorar el rendimiento electrocatalítico de los catalizadores para la reacción de reducción de oxígeno (ORR).
• Demostrar una mayor estabilidad y eficiencia en las PEMFC utilizando catalizadores diseñados.

Principales métodos:

• Se introdujo la "perturbación molecular inmovilizada" mediante la incorporación de grupos P-O próximos en catalizadores de átomo único de Fe-N-C.
• Se utilizaron métodos espectroscópicos y computacionales para confirmar el efecto del microambiente diseñado en los intermedios ^*OH.
• Se probó el rendimiento del catalizador en 0.5 m H2SO4 y dentro de una configuración de PEMFC de H2/O2.

Principales resultados:

• El microambiente diseñado debilitó selectivamente la capa de solvatación de los intermedios ^*OH, facilitando la desorción.
• Se logró un alto potencial de media onda de 0.861 V en H2SO4 y una densidad de potencia pico de 1024 mW cm⁻² en una PEMFC.
• Se demostró una excelente estabilidad con una retención de corriente del 72% después de 253 horas a 0.65 V.

Conclusiones:

• La "perturbación molecular inmovilizada" es una estrategia eficaz para mejorar la electrocatálisis mediante la ingeniería de la segunda esfera de coordinación del catalizador.
• Este enfoque aumenta significativamente el rendimiento y la estabilidad de la ORR en las PEMFC, superando a muchos catalizadores de metales no preciosos.
• Cambia el enfoque de la optimización del centro activo a la ingeniería deliberada del microambiente local para la electrocatálisis avanzada.