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Electrocatálisis

1960
Investigación de la electrocatálisis en un laboratorio con montaje de celdas electroquímicas.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

Electrocatalysis is a specific form of catálisis that accelerates the rate of electrochemical reactions occurring at an electrode surface. It is a subfield of both catalysis and electrochemistry. Electrocatalysts are crucial for increasing the efficiency and lowering the sobrepotencial (el voltaje adicional necesario para impulsar una reacción a un ritmo razonable) para las reacciones clave de conversión de energía.

Electrocatalysis is fundamentally linked to heterogeneous catalysis but with the added dimension of an applied electrical potential controlling the reaction’s driving force. The catalizador is the electrode material itself or a substance coated onto it. Its function is to lower the activation energy for transferencia de electrones steps. A key performance metric for an electrocatalyst is the overpotential ([latex]\eta[/latex]), defined as the difference between the thermodynamic potential and the actual potential required to achieve a certain current density. An efficient electrocatalyst minimizes [latex]\eta[/latex].

El rendimiento suele analizarse mediante un diagrama de Tafel, que muestra una relación lineal entre el logaritmo de la densidad de corriente ([latex]log(j)[/latex]) y el sobrepotencial ([latex]\eta[/latex]). La pendiente de este gráfico, la pendiente de Tafel, proporciona información sobre el mecanismo de reacción. Por ejemplo, la reacción de evolución de oxígeno (OER) y la reacción de reducción de oxígeno (ORR) son notoriamente lentas y requieren grandes sobrepotenciales. El desarrollo de electrocatalizadores baratos, abundantes y eficientes (por ejemplo, alternativos al platino) para estas reacciones es uno de los principales objetivos de la investigación en energías renovables, ya que son fundamentales para tecnologías como los electrolizadores de agua, las pilas de combustible y las baterías metal-aire. También en este caso se aplica el principio de Sabatier, según el cual el catalizador ideal no une los productos intermedios ni demasiado fuerte ni demasiado débilmente.

UNESCO Nomenclature: 2202
- Química física

Tipo

Proceso químico

Ruptura

Sustancial

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Michael Faraday’s laws of electrólisis
  • Los trabajos de Walther Nernst sobre la termodinámica de las células electroquímicas
  • Julius Tafel’s discovery of the relationship between current and sobrepotencial
  • Desarrollo del potenciostato para mediciones electroquímicas

Aplicaciones

  • pilas de combustible (por ejemplo, reacciones de oxidación de hidrógeno y reducción de oxígeno)
  • electrolizadores de agua para la producción de hidrógeno
  • electrosíntesis de productos químicos
  • prevención de la corrosión
  • sensores electroquímicos

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

  • non-precious metal catalizadores (e.g., based on iron, cobalt, nickel) for fuel cells
  • Electrocatalizadores de un solo átomo para una mayor actividad y durabilidad
  • electrocatalizadores para convertir CO2 en combustibles y productos químicos
  • electrocatalizadores en tándem que realizan múltiples pasos de reacción en un electrodo
  • Electrocatalizadores bioinspirados que imitan los sitios activos de las enzimas
  • electrocatalizadores autocurativos que pueden reparar daños durante el funcionamiento
  • high-entropy aleación catalysts for improved performance in complex reaction environments
  • electrocatálisis asistida por luz (fotoelectrocatálisis) para reacciones impulsadas por la energía solar
  • sensores electroquímicos flexibles y portátiles
  • Sistemas electrocatalíticos para la fijación de nitrógeno para producir amoníaco
Relacionado con: electrocatálisis, electroquímica, sobrepotencial, pila de combustible, división del agua, electrodo, gráfico de Tafel, reacción de evolución de oxígeno, transferencia de electrones, densidad de corriente.

Contexto histórico

Electrocatálisis

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1960-05-16
1962

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

décimo año aniversario

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