Un grupo de investigadores ha respondido algunas preguntas urgentes sobre una nueva y prometedora clase de catalizadores conocidos como catalizadores de un solo átomo (SAC).
Sus ideas aparecieron en el artículo de portada del Journal of the American Chemical Society. el 12 de enero de 2024.
Los científicos han identificado los SAC de metal, nitrógeno y carbono (M–N–C) como alternativas eficientes y rentables a los catalizadores basados en platino en aplicaciones críticas como pilas de combustible y baterías.
Sin embargo, a pesar de su promesa, todavía hay varios aspectos de su comportamiento en la reacción de reducción de oxígeno (un proceso crucial que ocurre en varios sistemas electroquímicos) que no se comprenden bien, como la dependencia de su actividad con el pH, la selectividad para diferentes vías de transferencia de electrones y la identificación de los pasos que determinan la tasa.
El grupo, que incluye a Hao Li, profesor asociado del Instituto Avanzado de Investigación de Materiales (WPI-AIMR) de la Universidad de Tohoku, profundizó en las complejidades de los catalizadores M–N–C, abordando cuestiones fundamentales que durante mucho tiempo han desconcertado a la comunidad científica. P>
A través de un análisis meticuloso de más de 100 estructuras catalíticas M–N–C y evaluaciones energéticas integrales que abarcan más de 2000 conjuntos de datos, los investigadores descubrieron una evolución dependiente del pH en la actividad catalítica de estos materiales.
Contrariamente a las suposiciones anteriores, el estudio reveló una respuesta matizada de los catalizadores M–N–C a diferentes niveles de pH, y algunos exhiben una estabilidad y un rendimiento notables en entornos ácidos y alcalinos.
La investigación también destacó la intrincada interacción entre la composición del catalizador y su rendimiento, aclarando los factores que influyen en la selectividad de diferentes vías de reacción. Al sintetizar una amplia gama de catalizadores M–N–C y someterlos a rigurosas pruebas experimentales, el equipo validó sus predicciones teóricas, afirmando la precisión de sus modelos en la predicción de parámetros catalíticos clave.
"Nuestros hallazgos representan un hito importante en la búsqueda de materiales catalíticos eficientes y sostenibles", señala Li. "Al desentrañar la dependencia del pH, la selectividad y la versatilidad de los catalizadores M–N–C, estamos allanando el camino para el desarrollo de catalizadores de próxima generación con un rendimiento y una aplicabilidad sin precedentes".
Dado que la dependencia del pH en la electrocatálisis es muy común, Li y sus colegas esperan extender este modelo exitoso a una variedad de reacciones catalíticas en el futuro. "Queremos mejorar la precisión de los modelos teóricos catalíticos para permitir una mejor detección de catalizadores estables y de alto rendimiento", añade Li.
Más información: Di Zhang et al, Desentrañando el rendimiento de la reducción de oxígeno dependiente del pH en catalizadores de un solo átomo:de Sabatier Optima simple a doble, Revista de la Sociedad Química Estadounidense (2024). DOI:10.1021/jacs.3c11246
Proporcionado por la Universidad de Tohoku
