Una porfirina di cobalto (II) con un imidazolo legato per un'efficiente riduzione dell'ossigeno ed elettrocatalisi dell'evoluzione

10 novembre 2022

dall'Accademia Cinese delle Scienze

Recentemente, Rui Cao e Weiqiang Zhang della Shaanxi Normal University, Shunichi Fukuzumi e Wonwoo Nam della Ewha Womans University e altri hanno pubblicato una lettera intitolata "A cobalt(II) porphyrin with a tethered imidazolo for efficiente riduzione dell'ossigeno ed evoluzione elettrocatalitica" sul Journal di Chimica Energetica.

Le reazioni elettrocatalitiche di riduzione ed evoluzione dell'ossigeno sono impiegate in varie celle a combustibile, batterie metallo-aria e dispositivi per la scissione dell'acqua. L'uso su larga scala dei metalli nobili e dei loro complessi nelle applicazioni industriali è limitato dalla loro scarsa abbondanza nel terreno e dai costi elevati. Tuttavia, diversi complessi di metalli di transizione di prima fila sono stati recentemente identificati come elettrocatalizzatori attivi per la reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) e la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER). Tuttavia, pochi di questi catalizzatori sono efficienti sia per l’ORR che per l’OER nelle stesse condizioni, il che è fondamentale per il loro utilizzo nelle batterie metallo-aria ricaricabili.

Le coporfirine sono state ampiamente studiate anche come catalizzatori per la riduzione dell'O2. Oltre all'ORR, le co-porfirine hanno dimostrato di essere efficienti elettrocatalizzatori OER. Nonostante questi risultati, è ancora necessario lo sviluppo di Co-porfirine con elevata attività e stabilità sia per le reazioni elettrocatalitiche di riduzione che di evoluzione dell'ossigeno nelle stesse condizioni.

Nelle ossidasi del citocromo c (CcO), le porfirine Fe con un gruppo assiale istidina imidazolico catalizzano la riduzione selettiva di O2 in acqua. Il gruppo assiale dell'imidazolo aumenta la densità elettronica del Fe, migliorando così il legame e l'attivazione dell'O2 al centro Fe attraverso un "effetto push" elettronico (Fig. 1a).

Ispirati dalla natura, gli autori riportano una Co porfirina, 1, con un gruppo imidazolico aggiunto alla spina dorsale della porfirina per il legame coassiale come elettrocatalizzatore bifunzionale attivo per le reazioni di riduzione ed evoluzione dell'ossigeno (Fig.1b). Inoltre, l'1 è stato impiegato come catalizzatore dell'elettrodo ad aria utilizzato per assemblare le batterie Zn-aria.

Le batterie Zn-aria risultanti hanno mostrato prestazioni paragonabili a quelle realizzate utilizzando materiali commerciali Pt/C e Ir/C. Questo lavoro è significativo nel sottolineare l'importante ruolo dei ligandi assiali nel migliorare l'ORR e l'OER, nonché nel mostrare le potenziali applicazioni dei catalizzatori molecolari nelle tecnologie di conversione e stoccaggio dell'energia basate sull'elettrocatalisi.

Maggiori informazioni: Xialiang Li et al, Una porfirina di cobalto (II) con un imidazolo legato per un'efficace elettrocatalisi dell'evoluzione e della riduzione dell'ossigeno, Journal of Energy Chemistry (2022). DOI: 10.1016/j.jechem.2022.10.010

Fornito dall'Accademia Cinese delle Scienze