Investigadores de la Universidad de Tohoku han desarrollado un innovador catalizador que presenta la capacidad de renovarse parcialmente mientras está en funcionamiento. Este avance abre nuevas posibilidades para la creación de materiales más duraderos, especialmente en aplicaciones energéticas y químicas. El catalizador está diseñado para la reacción de reducción de oxígeno (ORR), un proceso crucial para las pilas de combustible y otras tecnologías energéticas limpias.
Los hallazgos han sido publicados en la revista Energy & Environmental Science Catalysis.
Innovaciones en la síntesis de catalizadores
El nuevo catalizador se ha creado mediante la formación de una fina capa de poliftalocianina de hierro (FePPc) alrededor de nanotubos de carbono. Este enfoque ha permitido incorporar más hierro en el material que en métodos anteriores, manteniendo al mismo tiempo los mismos tipos de sitios activos que promueven la reacción.
En pruebas realizadas en una solución ácida, el catalizador demostró un rendimiento eficiente en la conversión de oxígeno, con mediciones que indican una fuerte transferencia de electrones y pasos de reacción favorables. Los investigadores atribuyen este efecto a la estrecha interacción entre la capa de FePPc y los nanotubos.
La durabilidad del catalizador es igualmente significativa. En pruebas a largo plazo, el catalizador mantuvo alrededor del 80% de su actividad inicial después de un día, mientras que un material similar sin la capa polimerizada perdió la mayor parte de su actividad en apenas unas horas.
El equipo descubrió que el material experimenta cambios a medida que funciona. Las delgadas capas de FePPc se desprenden gradualmente, exponiendo nuevos sitios activos. Al mismo tiempo, algunos de los fragmentos desprendidos continúan asentándose sobre los nanotubos, ayudando a la reacción durante un tiempo. Sin embargo, este proceso eventualmente alcanza un límite, ya que partículas de hierro disueltas se agrupan en cúmulos estables, lo que reduce la eficacia del catalizador.
“Nuestros resultados muestran que la aparente estabilidad del catalizador está vinculada a un equilibrio entre la renovación de los sitios activos y los procesos de desactivación gradual”, explicó Hao Li, Profesor Distinguido en el Instituto Avanzado de Investigación de Materiales de la Universidad de Tohoku (WPI-AIMR). “Comprender esta evolución dinámica proporciona un marco para diseñar catalizadores Fe-N-C que sigan siendo efectivos en condiciones electroquímicas exigentes”.
Al descubrir cómo funciona este proceso de renovación, el estudio sugiere un camino hacia el diseño de catalizadores más duraderos para dispositivos de energía limpia y para la producción sostenible de productos químicos a partir de recursos renovables.
Más información:
Fangzhou Liu et al, Dynamic evolution of self-renewal Fe–N–C catalysts for the acidic oxygen reduction reaction, EES Catalysis (2025). DOI: 10.1039/D5EY00092K
