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El aumento de la producción de especies de metales de transición de alto estado de oxidación en nanoláminas de hidróxido electrocatalíticas puede mejorar su rendimiento catalítico en reacciones de evolución de oxígeno (OER), lo cual es difícil de lograr con las técnicas existentes.
![El boro se utiliza para mejorar la utilización del níquel en las reacciones de evolución de oxígeno.](https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_39819_16662724612154039.jpg)
Estudio: Promoción de las transiciones del estado de oxidación del níquel en nanoláminas de hidróxido de NiFeB de una sola capa para una evolución eficiente del oxígeno. Crédito: Anusorn Nakdee/Shutterstock.com
Un artículo publicado en Nature Communications presentó la síntesis de nanoláminas monocapa a partir de hidróxido de NiFeB. El estudio destacó la eficacia del boro para aumentar la producción de níquel en alto estado de oxidación para mejorar las reacciones de evolución del oxígeno.
Introducción a las reacciones de evolución de oxígeno.
Una reacción de evolución de oxígeno es una semirreacción crítica involucrada en varias aplicaciones electrolíticas, incluidas las celdas electroquímicas recargables de metal-aire y la división del agua.
La cinética lenta del mecanismo de transferencia de cuatro electrones en OER crea un obstáculo para la mejora del rendimiento de estas aplicaciones.
Los electrocatalizadores a base de metales preciosos se consideran los catalizadores OER más fuertes, pero son escasos y costosos. Por lo tanto, los electrocatalizadores a base de metales base abundantemente disponibles, incluidos los hidróxidos u óxidos a base de NiFe y Co, se han estudiado ampliamente como catalizadores alternativos de metales de transición.
Actividad catalítica de nanoláminas de hidróxido de NiFe para REA
Las nanoláminas de hidróxido doble recubiertas con NiFe de última generación han mostrado una actividad electrocatalítica particularmente alta en la reacción de evolución de oxígeno en condiciones alcalinas.
Los metales de transición se convierten en entidades de alto estado de oxidación durante la reacción de evolución del oxígeno. Estas entidades se consideran los sitios activos para los REA.
Estimular la producción de las especies de metales de transición de alto estado de oxidación deseadas daría como resultado un potencial de inicio más bajo y una cinética de OER mejorada.
Mejora de la actividad OER de catalizadores basados en Ni
El acoplamiento de un catalizador a base de níquel con nanopartículas plasmónicas (NP) da como resultado «agujeros» cargados positivamente dentro de las nanopartículas cuando se exponen a la luz visible. Esto puede promover rápidamente la oxidación de los iones de níquel vecinos a especies de alto estado de oxidación, lo que conduce a una mejor cinética de OER.
Los electrocatalizadores de óxido de Ni son eficientes en la producción de especies de Ni de alto estado de oxidación para la reacción de evolución de oxígeno cuando se combinan con otros óxidos metálicos como MoO2 o no metales tales como fosfato.
Estos electrocatalizadores pueden aumentar significativamente la cinética de OER. A pesar de los aspectos positivos de estos electrocatalizadores basados en Ni, existe un margen significativo de mejora en la cinética de OER.
Es importante explorar técnicas efectivas para promover la oxidación del níquel para mejorar aún más la cinética de la REA.
Mejora de la actividad OER de nanoláminas de hidróxido de NiFe utilizando boro
Al incorporar boro (B), que es inherentemente deficiente en electrones, en las típicas nanoláminas de hidróxido de NiFe, la conversión de níquel en especies de alto estado de oxidación puede acelerarse con éxito, mejorando así significativamente la cinética de OER.
Extraiga electrones directamente de Ni en circunstancias normales2+ Generar las especies requeridas es un proceso complejo que no se puede completar sin alto voltaje.
Muy cerca del níquel, el boro puede participar en la oxidación del níquel al actuar como una zona de tránsito para el transporte de electrones involucrados en este proceso.
La naturaleza inherentemente deficiente en electrones de la región de tránsito de boro puede servir como un sumidero de electrones para promover el transporte de electrones desde el Ni2+ iones
Usando este concepto, las nanoláminas de hidróxido de NiFeB se pueden usar para lograr una mejor cinética de reacción de evolución de oxígeno en comparación con las nanoláminas de hidróxido de NiFe sin boro.
Hallazgos importantes
El equipo produjo con éxito nanoláminas monocapa a partir de nanopartículas de NiFeB hidrolizadas con hidróxido de NiFeB en condiciones alcalinas.
Los resultados de los estudios XRD, TEM y XPS mostraron que las nanohojas consistían en un solo MO6 Capa.
El equipo analizó la actividad OER de las nanoláminas de hidróxido de NiFeB y luego la comparó con la actividad OER de las nanoláminas de NiFe sin boro.
En un medio alcalino, las nanoláminas de hidróxido de NiFeB mostraron un rendimiento electrocatalítico mejorado en comparación con las nanoláminas de hidróxido de NiFe sin boro y una excelente estabilidad a largo plazo para la reacción de evolución de oxígeno.
Las nanoláminas de hidróxido de NiFeB superaron a la mayoría de los electrocatalizadores de metales base para REA.
El boro desempeñó un papel clave en las nanoláminas de hidróxido de NiFeB al aumentar el estado de oxidación del níquel, impulsar el paso determinante del potencial en la OER y reducir la barrera energética.
Conclusiones del estudio
La incorporación de boro en nanoláminas de hidróxido de NiFe demostró ser un método eficaz para fabricar electrocatalizadores OER increíblemente eficientes.
La inclusión de boro en las nanoláminas de hidróxido de NiFeB redujo el potencial necesario para la transformación de Ni2+ al estado altamente oxidado Ni3+δ especies, lo que finalmente redujo el potencial inicial y mejoró la cinética de la REA.
En las nanoláminas de hidróxido de NiFeB, el boro actuó como un sumidero de electrones durante la OER catalizada y promovió la oxidación de Ni.2+ en Ni3+.
Este estudio proporciona un enfoque eficaz para la ingeniería electrónica de nanoláminas catalíticas basadas en Ni para una OER óptima en aplicaciones de división de agua de alto rendimiento.
Relación
Bai Y, Wu Y y otros. (2022). Promoción de las transiciones del estado de oxidación del níquel en nanoláminas de hidróxido de NiFeB de una sola capa para una evolución eficiente del oxígeno. comunicación de la naturaleza13. Disponible en: https://www.nature.com/articles/s41467-022-33846-0
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