Eletrocatálise

A eletrocatálise é a aceleração de reações eletroquímicas por superfícies catalíticas que diminuem o sobrepotencial necessário para impulsioná-las, sendo fundamental para a eficiência de dispositivos de conversão de energia.

Definition

O estudo e a prática de catalisar reações eletroquímicas na interface eletrodo-eletrólito, reduzindo o sobrepotencial necessário para atingir taxas de reação úteis.

Scope

Este tópico aborda os princípios da eletrocatálise: como a ligação de intermediários de reação pelo material do eletrodo governa a taxa de reação, as relações vulcânicas e o princípio de Sabatier que identificam catalisadores ótimos, as principais reações da tecnologia energética, como a evolução de hidrogênio, redução de oxigênio e evolução de oxigênio, e os descritores computacionais usados para projetar catalisadores. Ele conecta a química de superfície ao desempenho do dispositivo.

Core questions

• Como uma superfície de eletrodo diminui a barreira de ativação de uma reação eletroquímica?
• Por que a atividade catalítica ótima ocorre com uma força de ligação intermediária dos intermediários de reação?
• O que torna as reações de redução de oxigênio e evolução de oxigênio tão difíceis de catalisar?
• Como os descritores computacionais guiam o projeto de novos eletrocatalisadores?

Key theories

Princípio de Sabatier e relações vulcânicas

A atividade catalítica é maximizada em uma ligação intermediária dos intermediários de reação — forte o suficiente para ativar os reagentes, mas fraca o suficiente para liberar os produtos — produzindo uma dependência em forma de vulcão da taxa em relação à energia de ligação.

Projeto baseado em descritores computacionais

Cálculos de funcional da densidade das energias de adsorção intermediárias fornecem descritores que preveem sobrepotenciais, permitindo a triagem e o projeto racional de eletrocatalisadores para reações como a redução de oxigênio.

Clinical relevance

Os eletrocatalisadores determinam a eficiência e o custo das células a combustível, dos eletrolisadores de água para produção de hidrogênio e dos sistemas de redução de dióxido de carbono; reduzir a dependência de metais do grupo da platina escassos por meio de melhores catalisadores é um objetivo chave para a tecnologia de energia limpa.

History

Correlações empíricas entre o material do eletrodo e a atividade, como o vulcão de evolução de hidrogênio de Trasatti na década de 1970, foram estabelecidas em uma base computacional quantitativa por Nørskov e colaboradores nos anos 2000, inaugurando o projeto de catalisadores baseado em descritores, agora padrão no campo.

Key figures

• Jens K. Nørskov
• Paul Sabatier
• Sergio Trasatti
• Thomas F. Jaramillo

Seminal works

• norskov2004
• seh2017
• bard2001

Frequently asked questions

Por que a força de ligação intermediária é a melhor para um catalisador?

Se os intermediários se ligam muito fracamente, a superfície não consegue ativar o reagente, mas se eles se ligam muito fortemente, os produtos não conseguem dessorver; o equilíbrio descrito pelo princípio de Sabatier proporciona uma taxa máxima na ligação intermediária.

Por que a reação de redução de oxigênio é um grande desafio?

Ela envolve a transferência de quatro elétrons e prótons através de vários intermediários cujas energias de ligação estão interligadas, de modo que nenhuma superfície única os liga todos de forma ótima, deixando um sobrepotencial intrínseco que limita a eficiência da célula a combustível.