Desarrollo de electrocatalizadores bimetálicos de hierro y cobalto atómicamente dispersos para la producción ecológica de amoníaco
Los investigadores sugieren que estos nuevos hallazgos serán de gran interés para la amplia comunidad de la catálisis
Científicos de los Institutos de Ciencias Físicas de Hefei de la Academia China de Ciencias han demostrado el uso de catalizadores de un solo átomo (SAC) sintetizados de forma controlable para describir la relación entre el rendimiento de la reacción electrocatalítica de reducción de nitrógeno (NRR) y la carga de un solo átomo (SA).
Diagrama esquemático de la síntesis de amoníaco por electrocatálisis con un catalizador bimetálico de un átomo de Fe-Co.
ZHANG Shengbo
La electrosíntesis de amoníaco a partir de la NRR en condiciones ambientales se ha considerado una tecnología de "síntesis verde de amoníaco" para sustituir el proceso tradicional Haber-Bosch, que requiere mucha energía y capital.
Los científicos coinciden en que las intrigantes características de los SAC pueden crear un nuevo paradigma catalítico. Sin embargo, uno de los principales retos que obstaculizan el diseño y el desarrollo racional de los SAC es la falta de conocimiento de la relación entre el rendimiento y la carga de SA, debido principalmente a la incapacidad de controlar con precisión la síntesis de los SAC con las densidades de carga de SA y las formas de coordinación del sitio activo deseadas.
En este estudio, los investigadores demostraron un método sintético regulado por adsorción que utiliza la celulosa bacteriana como regulador de la adsorción para controlar la impregnación de Fe3+/Co2+ en la celulosa bacteriana mediante la reducción carbotérmica. A continuación, los SAs de Fe-Co se fijaron al carbono derivado de la celulosa bacteriana mediante la coordinación bimetálica [(O-C2)3Fe-Co(O-C2)3].
Es importante destacar que los científicos desvelaron un conjunto de relaciones que definen cuantitativamente la distribución de Fe3+/Co2+ entre la celulosa bacteriana y la solución de adsorción, y el porcentaje de conversión de Fe3+/Co2+ impregnado en la celulosa bacteriana a Fe/Co SAs en el carbono derivado de la celulosa bacteriana. A continuación, demostraron el uso de dichas relaciones cuantitativas para guiar la síntesis controlable de SACs bimetálicos de Fe/Co con contenidos y relaciones atómicas de Fe/Co deseadas.
Demostraron que las SACs sintetizadas de forma controlable pueden representar la relación electrocatalítica entre el rendimiento de la NRR y la carga de SA. Los electrocatalizadores de un solo átomo (SAECs) con una relación atómica de Fe/Co unitaria poseen la mayor densidad de sitios y rendimiento NRR para los SAs bimetálicos de Fe-Co, lo que los hace capaces de alcanzar una magnífica tasa de rendimiento de amoníaco con una excepcional eficiencia faradaica.
La actividad catalítica de los SACs, a diferencia de otros tipos de catalizadores, viene determinada por la naturaleza del SA, las propiedades fisicoquímicas del soporte y, sobre todo, los enlaces de coordinación que anclan el SA al soporte.
En condiciones electrocatalíticas de NRR, [(O-C2)3Fe-Co(O-C2)3] en los SAECs bimetálicos de Fe-Co sintetizados se transforma operando en la configuración de coordinación más estable [(O-C2)3Fe-Co(O-C)C2], promoviendo y manteniendo el rendimiento de la NRR.
Los investigadores sugieren que estos nuevos hallazgos serán de gran interés para la amplia comunidad de la catálisis.
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