Pesquisadores criam método de previsão confiável para catalisadores de redução de oxigênio
Estruturas de catalisadores moleculares de Fe-Azaftalocianinas (AzPc) de cadeia longa. Após relaxações geométricas DFT com mais de 650 átomos, diferentes "padrões de dança" surgiram devido às diversas interações entre as cadeias laterais moleculares e o substrato de grafeno. Crédito:Ciência Química (2024). DOI:10.1039/D4SC00473F Pesquisadores da Universidade de Tohoku criaram um meio confiável de prever o desempenho de um novo e promissor tipo de catalisador. A sua descoberta irá acelerar o desenvolvimento de catalisadores eficientes para ambientes alcalinos e ácidos, poupando assim tempo e esforço em esforços futuros para criar melhores células de combustível.
Detalhes de sua pesquisa foram publicados na revista Chemical Science em 15 de março de 2024.
A tecnologia de células de combustível tem sido anunciada há muito tempo como um caminho promissor para energia limpa, mas os desafios na eficiência do catalisador têm dificultado a sua adoção generalizada.
Os catalisadores moleculares de metal-nitrogênio-carbono (M-N-C) apresentam propriedades estruturais distintas e excelente desempenho eletrocatalítico, particularmente para a reação de redução de oxigênio (ORR) em células de combustível. Eles oferecem uma alternativa econômica aos catalisadores à base de platina.
Uma dessas variantes de catalisadores M – N – C é a azaftalocianina dopada com metal (AzPc). Estes possuem propriedades estruturais únicas, caracterizadas por grupos funcionais de longo alongamento. Quando esses catalisadores são colocados sobre um substrato de carbono, eles assumem formas tridimensionais, como uma dançarina colocada em um palco. Esta mudança de forma influencia o quão bem eles funcionam para ORR em diferentes níveis de pH.
Ainda assim, traduzir essas propriedades estruturais benéficas em desempenhos aumentados é um desafio, que requer modelagem, validação e experimentação significativas, que consomem muitos recursos.
Modelos de vulcões ORR dependentes de pH e curvas LSV simuladas de derivados Fe-AzPc. Vulcões dependentes do campo de pH. Os lados esquerdo e direito da barra colorida representam a correlação entre o campo elétrico e o pH. Este número serve como referência para nossos experimentos. Crédito:Ciência Química (2024). DOI:10.1039/D4SC00473F
"Para superar isso, usamos simulações de computador para estudar como o desempenho do catalisador Fe-AzPcs suportado por carbono para reações de redução de oxigênio muda com diferentes níveis de pH, observando como os campos elétricos interagem com o pH e o grupo funcional circundante, "diz Hao Li, professor associado do Instituto Avançado de Pesquisa de Materiais da Universidade de Tohoku (WPI-AIMR) e autor correspondente do artigo.
Ao analisar o desempenho do Fe-AzPcs na ORR, Li e seus colegas incorporaram grandes estruturas moleculares com arranjos complexos de cadeia longa, ou "padrões de dança", com arranjos de mais de 650 átomos.
Crucialmente, os dados experimentais revelaram que a modelagem microcinética acoplada ao campo de pH correspondia estreitamente à eficiência de ORR observada.
"Nossas descobertas sugerem que avaliar a transferência de carga que ocorre no sítio Fe, onde o átomo de Fe geralmente perde aproximadamente 1,3 elétrons, poderia servir como um método útil para identificar grupos funcionais circundantes adequados para ORR", acrescenta Li. "Criamos essencialmente uma análise de referência direta para o modelo microcinético para identificar catalisadores M – N – C eficazes para ORR em várias condições de pH."
