Un equipo dirigido por el profesor YU Shuhong y el profesor HOU Zhonghuai de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) de la Academia de Ciencias de China desarrolló un enfoque de ingeniería microquímica guiada por la teoría (MCE) para manipular la cinética de la reacción y así optimizar el rendimiento electrocatalítico de la reacción de oxidación del metanol (MOR) en canal 3D ordenado y reticulado (3DOC). El estudio fue publicado en la Revista de la Sociedad Química Estadounidense .

En ingeniería química a micro-nanoescala, dos factores primarios generalmente afectan la cinética electrocatalítica en la interfaz electrodo-electrolito, es decir., la reacción en la superficie del electrodo y la transferencia de masa desde el electrolito a la superficie cercana y dentro de la capa de difusión.

La reacción de la superficie se puede optimizar diseñando catalizadores a nanoescala y aumentando la porosidad para aumentar los sitios activos, así como ajustando la estructura electrónica y la energía de enlace para incrementar la actividad intrínseca de los sitios activos. Para electrocatálisis con macrocatalizadores, la transferencia de masa del electrolito a granel a la superficie del catalizador es suficientemente rápida debido a la longitud característica insignificante de la capa de difusión en comparación con el tamaño del catalizador.

Sin embargo, a medida que el catalizador se reduce a la nanoescala, la transferencia de masa se desvía mucho de la predicción de la teoría tradicional debido a la longitud comparable de la capa de difusión. Por lo tanto, una metodología novedosa para optimizar la cinética de catalizadores dados sigue siendo urgente para maximizar los rendimientos electrocatalíticos.

En este estudio, los investigadores propusieron un enfoque de MCE que implica la optimización del proceso de catalizador.

Seleccionaron nanotubos de platino (Pt NT) como catalizador modelo, empleó un conjunto de interfaz aire-líquido y grabado electroquímico in situ para construir un canal ideal 3D ordenado y con enlaces cruzados, y utilizó MOR como modelo de reacción para probar el rendimiento electrocatalítico de 3DOC. Los resultados de la medición indicaron que existe un tamaño de canal óptimo de 3DOC para MOR.

Además, basado en la función de densidad de energía libre de la superficie del electrodo, los investigadores establecieron un modelo cinético integral que acopla la reacción de la superficie y la transferencia de masa para regular con precisión la cinética y optimizar el rendimiento de MOR. Los resultados mostraron que el aumento del tamaño del canal de 3DOC promovió la transferencia de masa del electrolito a granel a la superficie del catalizador. y debilitó el flujo de electrones vertical de la reacción en 3DOC.

Esta competencia entre la transferencia de masa y la reacción de superficie condujo al mejor rendimiento de MOR en 3DOC con un tamaño específico. En el tamaño de canal optimizado, La transferencia de masa y la reacción de superficie en el microrreactor canalizado estaban bien reguladas.

Esta optimización estructural, diferente del diseño de catalizador termodinámico tradicional, asegura un aumento significativo en el rendimiento electrocatalítico heterogéneo. Usando la transferencia de masa de acoplamiento MCE propuesta y la reacción de superficie, se puede realizar la optimización cinética en electrocatálisis. Esta estrategia de MCE supondrá un salto adelante en el diseño de catalizadores estructurados y la modulación cinética.