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

16 febbraio 2023

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dall'Accademia Cinese delle Scienze

Le reazioni elettrocatalitiche di riduzione ed evoluzione dell'ossigeno si verificano 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 industrie è limitato dalla loro scarsa abbondanza e dai costi elevati.

Recentemente, diversi complessi di metalli di transizione di prima fila sono stati identificati come elettrocatalizzatori attivi per la reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) e la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER). Tuttavia, solo pochi catalizzatori sono efficienti sia per l’ORR che per l’OER in condizioni identiche, il che è fondamentale per l’uso nelle batterie metallo-aria ricaricabili.

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

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 "Una cobalto (II) porfirina con un imidazolo legato per un'efficiente riduzione dell'ossigeno ed elettrocatalisi dell'evoluzione" sul Journal of Energy Chimica.

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 imidazolico assiale può aumentare la densità elettronica del Fe, e quindi migliorare il legame dell'O2 e l'attivazione al centro del Fe attraverso un "effetto push" elettronico.

Ispirati dalla natura, gli autori segnalano la Co porfirina 1 con un gruppo imidazolico aggiunto alla struttura della porfirina per il legame coassiale come un elettrocatalizzatore bifunzionale attivo per le reazioni di riduzione ed evoluzione dell'ossigeno. Inoltre, l'1 è stato utilizzato come catalizzatore negli elettrodi ad aria per batterie Zn-aria. La batteria Zn-aria risultante ha mostrato prestazioni paragonabili alle batterie realizzate utilizzando materiali commerciali Pt/C e Ir/C.

Questo lavoro è significativo in quanto evidenzia l'importante ruolo dei ligandi assiali nel migliorare ORR e OER e mostra 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

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