Las reacciones electroquímicas son fundamentales para las transiciones verdes. Estas reacciones utilizan corriente eléctrica y diferencia de potencial para llevar a cabo reacciones químicas, lo que permite unir y obtener energía eléctrica a partir de enlaces químicos. Esta química es la base de varias aplicaciones, como la tecnología del hidrógeno, las baterías y varios aspectos de la economía circular.
Los avances y mejoras en estas tecnologías requieren conocimientos detallados de las reacciones electroquímicas y los diferentes factores que las afectan. Estudios recientes han demostrado que, además del material del electrodo, el disolvente utilizado, su acidez y los iones de electrolitos utilizados influyen decisivamente en la eficiencia de las reacciones electroquímicas.
Por lo tanto, el enfoque reciente se ha desplazado al estudio de cómo las interfaces electroquímicas, por ejemplo, el entorno de reacción en el electrodo y la interfaz del electrolito impactan el resultado de las reacciones electroquímicas.
Comprender la química interfacial utilizando sólo métodos experimentales es extremadamente difícil ya que son muy delgados, sólo una fracción de un nanómetro. Por lo tanto, lo computacional y lo teórico son cruciales, ya que proporcionan una forma precisa de estudiar las interfaces electroquímicas a nivel atómico y en función del tiempo.
El método a largo plazo y el desarrollo teórico en el Departamento de Química de la Universidad de Jyväskylä (Finlandia) han proporcionado una nueva comprensión de la química de las interfaces electroquímicas, en particular de los efectos de los iones electrolíticos.
"Nuestros dos artículos de investigación recientes se han centrado en los efectos de los iones electrolíticos en las reacciones de reducción de oxígeno y dióxido de carbono, que determinan la eficiencia de las pilas de combustible, la síntesis de peróxido de hidrógeno y la conversión de dióxido de carbono en productos químicos y combustibles neutros en carbono", dice el Marko Melander, investigador de la Academia de Finlandia del Departamento de Química de la Universidad de Jyväskylä.
Combinando resultados experimentales y computacionales
Investigadores de la Universidad de Jyväskylä han colaborado con grupos experimentales y computacionales para comprender los efectos de los electrolitos. El trabajo ha sido publicado recientemente en la revista Nature Communications. y Edición Internacional Angewandte Chemie .
"En ambos estudios nos hemos centrado en las propiedades fundamentales y en la investigación, lo que ha requerido el uso de experimentos altamente precisos y exigentes y su combinación con los últimos métodos de simulación. Por ejemplo, por primera vez pudimos combinar experimentos y simulaciones de los efectos isotópicos cinéticos de la mecánica cuántica del hidrógeno para comprender la reacción de reducción de oxígeno. También desarrollamos y aplicamos métodos computacionales avanzados para simular la reorganización de las soluciones acuosas de electrolitos para alcanzar una visión detallada de su efecto conjunto en el mecanismo de reacción", aclara Melander. .
Esta investigación proporciona una imagen atomística de cómo los electrolitos impactan las reacciones electroquímicas. Un mecanismo identificado es la formación de enlaces entre un ion y la molécula que reacciona.
"Pudimos demostrar que ambos iones controlan la estructura y la dinámica tanto de la superficie del electrodo como del agua interfacial a través de interacciones no covalentes. Estas interacciones bastante débiles luego determinan la vía de reacción, la velocidad y la selectividad y, por lo tanto, controlan la actividad. y el resultado de reacciones electroquímicas", explica Melander.
Si bien esta investigación se centró en los aspectos fundamentales de los sistemas electroquímicos, puede mejorar el desarrollo de tecnologías electroquímicas mejoradas.
"La utilización de los efectos de iones y solventes puede proporcionar una manera de adaptar la reactividad y selectividad de las reacciones electroquímicas. Por ejemplo, el electrolito se puede usar para dirigir la reacción de reducción de oxígeno hacia celdas de combustible o aplicaciones de síntesis de peróxido de hidrógeno. La química del electrolito también es una forma eficaz de orientar la reducción de dióxido de carbono hacia los productos valiosos y deseados", afirma Melander.
Más información: Xueping Qin et al, Cambios inducidos por cationes en los mecanismos de reducción electrocatalítica de CO2 en las esferas interna y externa, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43300-4
Tomoaki Kumeda et al, Los cationes determinan el mecanismo y la selectividad de la reacción de reducción del oxígeno alcalino en Pt(111)**, Edición internacional Angewandte Chemie (2023). DOI:10.1002/anie.202312841
Información de la revista: Edición internacional Angewandte Chemie , Comunicaciones de la naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Jyväskylä
