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Eletrocatálise

1960
Pesquisa de eletrocatálise em um laboratório com configuração de célula eletroquímica.

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

Electrocatalysis is a specific form of catálise 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 (a voltagem extra necessária para impulsionar uma reação a uma taxa razoável) para reações-chave de conversão de energia.

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

O desempenho é frequentemente analisado usando um gráfico de Tafel, que mostra uma relação linear entre o logaritmo da densidade de corrente (log(j)) e a sobretensão (η). A inclinação desse gráfico, a inclinação de Tafel, fornece informações sobre o mecanismo da reação. Por exemplo, a reação de evolução de oxigênio (OER) e a reação de redução de oxigênio (ORR) são notoriamente lentas, exigindo grandes sobretensões. O desenvolvimento de eletrocatalisadores baratos, abundantes e eficientes (por exemplo, alternativas à platina) para essas reações é um objetivo importante na pesquisa de energias renováveis, pois são cruciais para tecnologias como eletrolisadores de água, células a combustível e baterias metal-ar. O princípio de Sabatier também se aplica aqui, afirmando que o catalisador ideal se liga aos intermediários com uma afinidade nem muito forte nem muito fraca.

UNESCO Nomenclature: 2202
Química física

Tipo

Processo Químico

Interrupção

Substancial

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Michael Faraday’s laws of electrolysis
  • O trabalho de Walther Nernst sobre a termodinâmica das células eletroquímicas
  • Julius Tafel’s discovery of the relationship between current and sobrepotencial
  • Desenvolvimento do potenciostato para medições eletroquímicas

Aplicações

  • células de combustível (ex: reações de oxidação de hidrogênio e redução de oxigênio)
  • Eletrolisadores de água para produção de hidrogênio
  • eletrossíntese de produtos químicos
  • prevenção de corrosão
  • sensores eletroquímicos

Patentes:

NA

Ideias de Inovação Potencial

  • non-precious metal catalisadores (e.g., based on iron, cobalt, nickel) for fuel cells
  • single-atom electrocatalysts for enhanced activity and durability
  • electrocatalysts for converting co2 into fuels and chemicals
  • tandem electrocatalysts that perform multiple reaction steps on one electrode
  • bio-inspired electrocatalysts mimicking enzyme active sites
  • self-healing electrocatalysts that can repair damage during operation
  • high-entropy liga catalysts for improved performance in complex reaction environments
  • light-assisted electrocatalysis (photoelectrocatalysis) for solar-driven reactions
  • flexible and wearable electrochemical sensors
  • electrocatalytic systems for nitrogen fixation to produce ammonia
Relacionado a: eletrocatálise, eletroquímica, sobrepotencial, célula de combustível, eletrólise da água, eletrodo, curva de Tafel, reação de evolução de oxigênio, transferência de elétrons, densidade de corrente.

Contexto histórico

Eletrocatálise

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1960-05-16
1962

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

10º ano aniversário

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