Investigadores de la Universidad de Tohoku han creado un medio fiable para predecir el rendimiento de un tipo de catalizador nuevo y prometedor. Su avance acelerará el desarrollo de catalizadores eficientes para ambientes tanto alcalinos como ácidos, ahorrando así tiempo y esfuerzo en esfuerzos futuros para crear mejores celdas de combustible.
Los detalles de su investigación se publicaron en la revista Chemical Science. el 15 de marzo de 2024.
La tecnología de pilas de combustible se ha anunciado durante mucho tiempo como una vía prometedora para la energía limpia, pero los desafíos en la eficiencia de los catalizadores han obstaculizado su adopción generalizada.
Los catalizadores moleculares de metal, nitrógeno y carbono (M – N – C) cuentan con propiedades estructurales distintivas y un excelente rendimiento electrocatalítico, particularmente para la reacción de reducción de oxígeno (ORR) en celdas de combustible. Ofrecen una alternativa rentable a los catalizadores basados en platino.
Una de esas variantes de los catalizadores M – N – C es la azaftalocianina dopada con metal (AzPc). Estos poseen propiedades estructurales únicas, caracterizadas por grupos funcionales de larga extensión. Cuando estos catalizadores se colocan sobre un sustrato de carbono, adquieren formas tridimensionales, muy parecidas a las de un bailarín colocado en un escenario. Este cambio de forma influye en su eficacia para la ORR en diferentes niveles de pH.
Aún así, traducir estas propiedades estructurales beneficiosas en mayores rendimientos es un desafío que requiere modelado, validación y experimentación importantes, lo que requiere muchos recursos.
"Para superar esto, utilizamos simulaciones por computadora para estudiar cómo el rendimiento del catalizador Fe-AzPcs soportado por carbono para reacciones de reducción de oxígeno cambia con diferentes niveles de pH, observando cómo los campos eléctricos interactúan con el pH y el grupo funcional circundante", dice Hao Li, profesor asociado del Instituto Avanzado de Investigación de Materiales (WPI-AIMR) de la Universidad de Tohoku y autor correspondiente del artículo.
Al analizar el rendimiento de Fe-AzPcs en ORR, Li y sus colegas incorporaron grandes estructuras moleculares con disposiciones complejas de cadenas largas, o "patrones de danza", con disposiciones de más de 650 átomos.
Fundamentalmente, los datos experimentales revelaron que el modelado microcinético acoplado al campo de pH coincidía estrechamente con la eficiencia de ORR observada.
"Nuestros hallazgos sugieren que evaluar la transferencia de carga que se produce en el sitio de Fe, donde el átomo de Fe suele perder aproximadamente 1,3 electrones, podría servir como un método útil para identificar grupos funcionales circundantes adecuados para la ORR", añade Li. "Básicamente, hemos creado un análisis de referencia directo para el modelo microcinético con el fin de identificar catalizadores M–N–C eficaces para la ORR en diversas condiciones de pH".
Más información: Di Zhang et al, Evaluación comparativa del modelado microcinético acoplado al campo de pH frente a la reducción de oxígeno en catalizadores de Fe-azaftalocianina a gran escala, Ciencia química (2024). DOI:10.1039/D4SC00473F
Información de la revista: Ciencias químicas
Proporcionado por la Universidad de Tohoku
