La porosidad abre la puerta a novedosos electrocatalizadores sin metal
Autor: José Ignacio Martínez, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC)
La reacción de reducción de oxigeno (ORR) es un proceso clave para las nuevas tecnologías de conversión de energía, como baterías al aire y celdas de combustible, las cuales han adquirido una vital relevancia para un futuro sostenible. Sin embargo, la dificultad para romper el robusto enlace doble O=O requiere del uso de electrocatalizadores. Mientras que los catalizadores metálicos se usan en la mayoría de aplicaciones industriales, la comunidad académica está focalizando sus esfuerzos en la búsqueda de alternativas puramente orgánicas. La gran mayoría de los catalizadores metálicos están basados en metales preciosos, cuyas reservas planetarias son muy limitadas, y su precio desorbitado. Sin embargo, en los últimos años, estructuras basadas en carbono se están erigiendo como poderosas herramientas en el desarrollo de catalizadores de última generación. Materiales basados en metales de transición como peruskitas y otros óxidos metálicos, así como boruros, nitruros, hidróxidos metálicos laminares, aleaciones metálicas y otras alternativas con alto contenido en carbono son particularmente interesantes debido a su bajo precio y relativa abundancia en comparación con los catalizadores basados en Pt, ampliamente utilizados. En la actualidad, sin embargo, la preparación de electrocatalizadores ORR punteros y disruptivos basados en carbono requiere la transformación desde materiales orgánicos a muy alta temperatura, lo que incrementa sustancialmente el coste y los límites de control sobre sus características estructurales. Para soslayar esta importante limitación, el Prof. José L. Segura de la Universidad Complutense de Madrid, ha liderado una ambiciosa investigación multidisciplinar con colegas de la Universidad Autónoma de Madrid, del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), y del Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia (IMDEA-Nanociencia). A lo largo de este proyecto, el Prof. Segura y el resto de colaboradores han desarrollado una familia de electrocatalizadores libres de metal basados en moléculas orgánicas con grupos funcionales de naftalenodiimida (NDI) como centros activos para la reacción ORR [Martínez-Fernández et al., Applied Materials Today 26 (2022) 101384, https://doi.org/10.1016/j.apmt.2022.101384]. Se ha sintetizado un nuevo tipo de polímero conocido como COF (del inglés “Covalent Organic Framework”), el cual se organiza en forma de una estructura porosa que constituye la base de estos electrocatalizadores. De esta manera, mediante la simple formación de enlaces imídicos entre dianhídrido de naftaleno y compuestos de triamina se obtiene una batería de COFs hexagonales basados en NDI con una alta actividad para la reacción ORR, donde los centros activos son las unidades NDI. Puesto que los electrocatalizadores basados en NDI catalizan la reacción ORR directamente no se requiere un proceso de pirolisis, lo que reduce los costes en comparación con otros basados en carbono. El uso de diferentes conectores moleculares con triamina favorece el control de la distorsión de la estructura global, alterando el acceso de moléculas O2 y con ello la actividad electrocatalítica. Estos materiales también poseen una alta selectividad al O2 y una gran robustez y estabilidad intrínseca. La mejora de la accesibilidad de los reactivos a un centro activo heterogéneo aún no había sido explorada para estos sistemas, lo que también se ha logrado mediante el control de su porosidad para la mejora sustancial de la respuesta ORR. Los materiales obtenidos y caracterizados en esta investigación ofrecen una prometedora alternativa a catalizadores basados en Pt debido al gran área efectiva disponible, a una inherente estabilidad y durabilidad, un eficiente transporte de carga y su facilidad de síntesis. Esta investigación abre las puertas al objetivo último de la incorporación de estos COFs en dispositivos reales funcionales, tales como baterías de Zn al aire o celdas de combustible para la producción de energía limpia.
La adecuada combinación de precursores NDI con alta actividad electrocatalítica con distintos conectores moleculares con triamina en COFs permite un alto control estructural de centros electroactivos para la electrocatálisis de la ORR.
Contacto
José Ignacio Martínez, Investigador del grupo ESISNA del programa FotoArt-CM.
Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.
