En química , la reacción de reducción de oxígeno se refiere a la semirreacción de reducción mediante la cual el O 2 se reduce a agua o peróxido de hidrógeno. En las pilas de combustible, se prefiere la reducción a agua porque la corriente es mayor. La reacción de reducción de oxígeno está bien demostrada y es de naturaleza altamente eficaz. [1] [2]
Estequiometria
Se muestran las estequiometrías de la reacción de reducción de oxígeno, que depende del medio: [3]
4e - vía en medio ácido:
2e - vía en medio ácido:
4e - vía en medio alcalino:
2e - vía en medio alcalino:
4e- vía en óxido sólido:
El 4e - reacción vía es la reacción en el cátodo en la célula de combustible , especialmente en las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones , de pila de combustible alcalina y pila de combustible de óxido sólido . Mientras que el 2e - reacción vía es a menudo la reacción secundaria de la vía 4e- o se puede utilizar en la síntesis de H 2 O 2 .
Catalizadores
Biocatalizadores
La reacción de reducción de oxígeno es una reacción esencial para los organismos aeróbicos. Dichos organismos son alimentados por el calor de combustión del combustible (alimento) por O 2 . En lugar de la combustión, los organismos se basan en secuencias elaboradas de reacciones de transferencia de electrones, a menudo acopladas a la transferencia de protones. La reacción directa de O 2 con el combustible es excluida por la reacción de reducción de oxígeno, que produce agua y trifosfato de adenosina . La ciclocromo oxidasa afecta la reacción de reducción de oxígeno al unir O 2 en un complejo hemo - Cu . En lacasa , el O 2 se activa y se reduce mediante un agregado de cuatro cobre. Tres centros de Cu se unen al O 2 y un centro de Cu funciona como donante de electrones. [1]
Catalizadores heterogéneos
En las pilas de combustible, el platino es el catalizador más común. Debido a que el platino es caro, se dispersa sobre un soporte de carbono. Ciertas facetas del platino son más activas que otras. [2]
Complejos de coordinación
Un trabajo mecanicista detallado es el resultado de estudios sobre complejos de dioxígeno de metales de transición , que representan modelos para el encuentro inicial entre el O 2 y el catalizador metálico. Los primeros catalizadores para la reacción de reducción de oxígeno se basaban en ftalocianinas de cobalto . [4] Se han probado muchos complejos de coordinación relacionados . [5] como catalizador de la reacción de reducción de oxígeno y estas pequeñas moléculas lograron un rendimiento diferente de electrocatálisis. Estos emocionantes resultados desencadenan una mayor investigación del metal no noble que contiene pequeñas moléculas utilizadas para el electrocatalizador de reacción de reducción de oxígeno. [6] Además de la ftalocianina, la porfirina también es un ligando adecuado para que el centro metálico proporcione una parte de N 4 [ definición necesaria ] en el sitio MN 4 . En Biosystems, muchas reacciones químicas físicos relacionados de oxígeno son transportados por proteínas que contienen la unidad de metal-porfirina tales como O 2 entrega, O 2 de almacenamiento, O 2 reducción y H 2 O 2 oxidación.
Desarrollo y modificación reciente
Dado que la reacción de reducción de oxígeno en las pilas de combustible debe catalizarse de forma heterogénea, siempre se necesitan sustratos conductores, como materiales de carbono, para construir electrocatalizadores. Para aumentar la conductividad y mejorar la interacción sustrato-carga, generalmente se realiza un tratamiento térmico antes de la aplicación. Durante el tratamiento, los sitios activos M-N4 se vuelven a agregar espontáneamente debido a la alta energía intrínseca, lo que reducirá drásticamente la densidad del sitio activo. Por lo tanto, aumentar la densidad del sitio activo y crear un catalizador disperso a nivel atómico es un paso clave para mejorar la actividad del catalizador. Para solucionar este problema, podemos utilizar algunos sustratos porosos para confinar los sitios activos o utilizar algún defecto o ligandos para evitar la migración del sitio activo. Mientras tanto, la estructura porosa o el defecto también serán beneficiosos para el proceso de absorción de oxígeno. [7]
Además de la densidad del sitio activo, la configuración electrónica del centro M en el sitio activo MN 4 también juega un papel importante en la actividad y estabilidad de un catalizador de reacción de reducción de oxígeno. Porque la configuración electrónica del centro M puede afectar el potencial redox , que determina la energía de activación de la reacción de reducción de oxígeno. Para modular la configuración electrónica, una forma sencilla es cambiar los ligandos del centro metálico. Por ejemplo, los investigadores encontraron que si los átomos de N en los sitios activos M-N4 son pirrólicos o piridínicos puede afectar el desempeño del catalizador. [8] [9] Además, algunos heteroátomos como S, P distintos de N también pueden usarse para modular la configuración electrónica también, ya que estos átomos tienen diferente electronegatividad y configuración electrónica. [10]
Referencias
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