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Elettrocatalisi

1960
Ricerca sull'elettrocatalisi in laboratorio con allestimento di celle elettrochimiche.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Electrocatalysis is a specific form of catalisi 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 sovrapotenziale (la tensione supplementare necessaria per pilotare una reazione a una velocità ragionevole) per le principali reazioni di conversione energetica.

Electrocatalysis is fundamentally linked to heterogeneous catalysis but with the added dimension of an applied electrical potential controlling the reaction’s driving force. The catalizzatore is the electrode material itself or a substance coated onto it. Its function is to lower the activation energy for trasferimento di elettroni 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].

Le prestazioni vengono spesso analizzate utilizzando un diagramma di Tafel, che mostra una relazione lineare tra il logaritmo della densità di corrente ([latex]log(j)[/latex]) e l'overpotential ([latex]\eta[/latex]). La pendenza di questo grafico, la pendenza di Tafel, fornisce indicazioni sul meccanismo di reazione. Ad esempio, la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) e la reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) sono notoriamente lente e richiedono grandi sovrappotenziali. Lo sviluppo di elettrocatalizzatori economici, abbondanti ed efficienti (ad esempio, alternativi al platino) per queste reazioni è un obiettivo importante nella ricerca sulle energie rinnovabili, poiché sono fondamentali per tecnologie come gli elettrolizzatori d'acqua, le celle a combustibile e le batterie metallo-aria. Anche in questo caso vale il principio di Sabatier, secondo il quale il catalizzatore ideale non lega gli intermedi né troppo fortemente né troppo debolmente.

UNESCO Nomenclature: 2202
- Chimica fisica

Tipo

Processo chimico

Interruzione

Sostanziale

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • Michael Faraday’s laws of elettrolisi
  • Il lavoro di Walther Nernst sulla termodinamica delle celle elettrochimiche
  • Julius Tafel’s discovery of the relationship between current and sovrapotenziale
  • sviluppo del potenziostato per misure elettrochimiche

Applicazioni

  • celle a combustibile (ad esempio, reazioni di ossidazione dell'idrogeno e di riduzione dell'ossigeno)
  • elettrolizzatori ad acqua per la produzione di idrogeno
  • elettrosintesi di sostanze chimiche
  • prevenzione della corrosione
  • sensori elettrochimici

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • non-precious metal catalizzatori (e.g., based on iron, cobalt, nickel) for fuel cells
  • elettrocatalizzatori monoatomici per una maggiore attività e durata
  • elettrocatalizzatori per convertire la CO2 in combustibili e prodotti chimici
  • elettrocatalizzatori tandem che eseguono più fasi di reazione su un elettrodo
  • elettrocatalizzatori bio-ispirati che imitano i siti attivi degli enzimi
  • elettrocatalizzatori auto-riparanti in grado di riparare i danni durante il funzionamento
  • high-entropy lega catalysts for improved performance in complex reaction environments
  • elettrocatalisi assistita dalla luce (fotoelettrocatalisi) per reazioni guidate dal sole
  • sensori elettrochimici flessibili e indossabili
  • sistemi elettrocatalitici per la fissazione dell'azoto per produrre ammoniaca
Correlato a: elettrocatalisi, elettrochimica, sovratensione, cella a combustibilescissione dell'acqua, elettrodo, diagramma di Tafel, reazione di evoluzione dell'ossigeno, trasferimento di elettroni, densità di corrente.

Contesto storico

Elettrocatalisi

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1960-05-16
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(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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