La reacción de reducción de oxígeno (ORR, por sus siglas del inglés oxygen reduction reaction) es de suma importancia por sus aplicaciones en energías alternativas, en celdas de combustible y para la producción de peróxido de hidrógeno (H2O2), utilizado en aplicaciones de remediación ambiental. Las dos vías de reacción principales involucradas en la ORR son la de cuatro electrones que produce agua (H2O) o la vía de dos electrones que conduce a la formación de H2O2. Sin embargo, algunas aplicaciones requieren que se favorezca una o la otra vía de reacción.
Investigadores del Centro de Nanociencias y Nanotecnología de la UNAM emplearon métodos teóricos y experimentales para descifrar los mecanismos involucrados en la ORR en materiales de carbono grafítico dopado con nitrógeno. Este material es mucho más económico que el platino, uno de los componentes que actualmente se usan en los catalizadores de la ORR.
Con la incorporación del nitrógeno al carbono grafítico se distinguen tres sitios activos. Los sitios N-grafíticos donde el N sustituye al C en la red cristalina, los sitios N-piridínicos de tipo 1N, 2N o 3N atendiendo al número de átomos de N que sustituyen al C en la vecindad de defectos (vacancias de C), y los pirrólicos N donde un N sustituye al C conformando un anillo de 5 miembros. En este trabajo se demuestra que los sitios N-grafíticos y los 3N-piridínicos favorecen la vía de dos electrones, mientras los sitios 1N- y 2N-piridínicos conducen a la vía de los cuatro electrones.
Los cálculos muestran la importancia de los enlaces no saturados y/o anillos de carbono pentagonales en la selectividad hacia la vía de cuatro electrones.
La comprensión del mecanismo de la ORR es importante para el diseño y desarrollo de nuevos electrocatalizadores ORR que favorezcan la vía requerida de acuerdo con la aplicación.
Los resultados de esta investigación se publicaron en Advanced Energy Materials.
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