Desvendando o desempenho de redução de oxigênio dependente do pH em catalisadores de átomo único
A capa do artigo, que revelou uma interessante evolução dependente do pH em vulcões de atividade de reação de redução de oxigênio (ORR) para catalisadores de átomo único M – N – C. Crédito:Hao Li e outros Um grupo de pesquisadores respondeu a algumas questões urgentes sobre uma nova e promissora classe de catalisadores conhecida como catalisadores de átomo único (SACs).
Seus insights foram apresentados como artigo de capa no Journal of the American Chemical Society em 12 de janeiro de 2024.
Os cientistas identificaram SACs de metal-nitrogênio-carbono (M-N-C) como alternativas eficientes e econômicas aos catalisadores à base de platina em aplicações críticas, como células de combustível e baterias.
Apesar da sua promessa, no entanto, ainda existem vários aspectos do seu comportamento na reacção de redução do oxigénio - um processo crucial que ocorre em vários sistemas electroquímicos - que não são bem compreendidos, tais como a sua dependência da actividade do pH, a selectividade para diferentes vias de transferência de electrões e a identificação das etapas determinantes da taxa.
O grupo, que inclui Hao Li, professor associado do Instituto Avançado de Pesquisa de Materiais da Universidade de Tohoku (WPI-AIMR), mergulhou profundamente nas complexidades dos catalisadores M – N – C, abordando questões fundamentais que há muito intrigam a comunidade científica.
Através de análises meticulosas de mais de 100 estruturas de catalisadores M – N – C e avaliações energéticas abrangentes abrangendo mais de 2.000 conjuntos de dados, os pesquisadores descobriram uma evolução dependente do pH na atividade catalítica desses materiais.
Ao contrário das suposições anteriores, o estudo revelou uma resposta diferenciada dos catalisadores M – N – C a vários níveis de pH, com alguns exibindo notável estabilidade e desempenho em ambientes ácidos e alcalinos.
. Os modelos microcinéticos de vulcão ORR de SACs M – N – C e análises determinantes de taxa. Crédito:Hao Li e outros
Caracterização experimental, testes de desempenho e validações. a – e, estrutura de absorção de raios X de borda K metálica (XANES) dos catalisadores MPc / CNT, FePc / CNT-R e M-COF366 / CNT e suas amostras de referência. Crédito:Hao Li e outros
A pesquisa também destacou a intrincada interação entre a composição do catalisador e seu desempenho, elucidando fatores que influenciam a seletividade para diferentes vias de reação. Ao sintetizar uma gama diversificada de catalisadores M – N – C e submetê-los a testes experimentais rigorosos, a equipe validou suas previsões teóricas, afirmando a precisão de seus modelos na previsão de parâmetros catalíticos importantes.
“Nossas descobertas representam um marco significativo na busca por materiais catalíticos eficientes e sustentáveis”, ressalta Li. "Ao desvendar a dependência do pH, a seletividade e a versatilidade dos catalisadores M–N–C, estamos abrindo caminho para o desenvolvimento de catalisadores de próxima geração com desempenho e aplicabilidade sem precedentes."
Dado que a dependência do pH na eletrocatálise é muito comum, Li e seus colegas esperam estender este modelo bem-sucedido a uma variedade de reações catalíticas no futuro. “Queremos aumentar a precisão dos modelos teóricos catalíticos para permitir uma melhor triagem de catalisadores estáveis e de alto desempenho”, acrescenta Li.
Mais informações: Di Zhang et al, Unraveling the pH-Dependent Oxygen Reduction Performance on Single-Atom Catalysts:From Single- to Dual-Sabatier Optima, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c11246 Fornecido pela Universidade Tohoku
