Los detalles de sus hallazgos se publicaron en el Journal of Materials Chemistry A. el 1 de mayo de 2024.

El hidrógeno, conocido como el "combustible del futuro", ofrece numerosas ventajas en la transición hacia una economía baja en carbono. Su versatilidad permite aplicaciones en múltiples sectores, incluido el transporte, donde las pilas de combustible de hidrógeno pueden impulsar vehículos, reduciendo así las emisiones de gases de efecto invernadero y mitigando el cambio climático. Sin embargo, persisten desafíos importantes en la electrocatálisis de oxígeno, lo que obstaculiza el desarrollo de técnicas a gran escala para la generación y el uso de hidrógeno basadas en electricidad verde.

Uno de los desafíos de larga data es la dependencia de costosos catalizadores PGM para impulsar la electrocatálisis de oxígeno. En respuesta a estos desafíos, los investigadores han recurrido a los catalizadores M-N-C como una alternativa prometedora.

Los informes de la última década han demostrado que los catalizadores M-N-C, dopados con elementos metálicos abundantes en la tierra, como los metales tridimensionales, ofrecen un rendimiento versátil en la electrocatálisis de oxígeno, algunos comparables a los catalizadores PGM. Sin embargo, aún falta la mecánica exacta detrás de sus actividades electrocatalíticas; En estudios anteriores se han pasado por alto factores clave como el potencial de carga cero (PZC) y los efectos de solvatación.

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"Estamos en un punto crítico en las tecnologías energéticas sostenibles", afirma Di Zhang, profesor asistente en el Instituto Avanzado de Investigación de Materiales de la Universidad de Tohoku y coautor del artículo. "Comprender los factores que influyen en el rendimiento de los catalizadores M-N-C es esencial para la innovación en la generación y el uso de hidrógeno".

Zhang y sus colegas revelaron que los PZC y los efectos de solvatación desempeñan un papel fundamental en las actividades dependientes del pH, lo que afecta significativamente la energía de reacción.

Al realizar muestreos a gran escala mediante dinámica molecular ab initio y cálculos de la teoría funcional de la densidad, los investigadores analizaron doce configuraciones M-N-C distintas con modelos de solvatación explícitos. Observaron variaciones sustanciales en los PZC y los efectos de solvatación según las estructuras del catalizador, los tipos de metales y las configuraciones del nitrógeno.

"Nuestros hallazgos subrayan la importancia de considerar el PZC y los efectos de solvatación en el modelado microcinético", añade Zhang. "Este conocimiento es crucial para el diseño racional de catalizadores M-N-C de alto rendimiento, acelerando el desarrollo de tecnologías de hidrógeno sostenibles".