Wang, Y., Yu, J., Wang, Y., Chen, Z., Dong, L., Cai, R., Hong, M., Long, X., & Yang, S. (2020). Síntesis de plantillas in situ de electrocatalizador mesoporoso de Ni-Fe para la reacción de evolución del oxígeno. Avances RSC, 10(39), 23321–23330. https://doi.org/10.1039/d0ra03111a
En apoyo del desarrollo de electrocatalizadores, ReactRaman proporciona información detallada sobre la unión dentro y en la superficie del electrocatalizador mesoporoso de Ni-Fe.
Los autores comentan la importancia de desarrollar electrocatalizadores para su uso en reacciones de evolución del oxígeno (REA). Estos electrocatalizadores deben tener características clave específicas de eficiencia, como sitios activos que estén distribuidos uniformemente y fácilmente disponibles en la superficie del catalizador, al tiempo que son rentables y sostenibles. Para cumplir con estos objetivos, investigaron y desarrollaron un método para preparar un marco de sílice pirógena mesoporosa (MFS) que dispersaba Ni²⁺ y Fe³⁺ utilizando un enfoque sencillo. Este método utiliza MFS disponible en el mercado como soporte 3D para unir los iones metálicos. Al grabar la estructura impregnada de metal MFS con KOH, el electrocatalizador de Ni-Fe-O formado tiene características clave para los REA, como una buena capacidad de transferencia de carga, una gran superficie activa electroquímica y una excelente estabilidad general.
Se sintetizaron una serie de catalizadores de NiFe-MFS con diferentes proporciones molares de soluciones acuosas de iones metálicos. Se utilizaron una serie de técnicas para desarrollar una comprensión detallada de la microestructura de estos electrocatalizadores. Esto incluyó microscopía electrónica de transmisión para investigar la nanoestructura, rayos X de dispersión de energía para mapear la distribución de los elementos Ni, Fe, Si y O, y difracción de rayos X para analizar la cristalinidad de las muestras. La morfología se estudió mediante microscopía electrónica de barrido por emisión; La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X analizó la energía de enlace del elemento, y el análisis elemental se realizó utilizando un espectrómetro de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente. El área superficial y la porosidad de la estructura se investigaron utilizando mediciones de adsorción-desorción de gas nitrógeno.
La unión de los metales Ni/Fe al soporte de sílice pirógena se analizó y verificó con espectroscopía ReactRaman. Para MFS no dopados, se observan bandas a 345-450, 575, 750, 973 y 1070 cm⁻¹, que surgen de una serie de enlaces vibracionales Si−O−Si y Si−OH. Para las muestras que están impregnadas con alto contenido de hierro, se observan bandas a 332, 495 y 1163 cm⁻¹ que surgen de la flexión O-Fe-O, la flexión Fe-O-Si y el estiramiento asimétrico Fe-O-Si, respectivamente. Estas observaciones indicaron que el hierro se incorporó efectivamente a la red de sílice. Por el contrario, cuando el níquel se impregnó en la sílice pirógena, la banda de estiramiento de Si-OH de la superficie de 973 cm⁻¹ se debilitó significativamente y no se observaron bandas adicionales. La evaluación de las mediciones de fotoelectrones y Raman de rayos X llevó a la conclusión de que, mientras que el Fe³⁺ prefiere insertarse en el marco de la sílice pirógena y forma un enlace Fe-O-Si, el Ni²⁺ se une covalentemente con los grupos Si-OH en la superficie de la sílice pirógena.
Se realizaron una serie de estudios de electroanálisis que mostraron la importancia de la relación de iones metálicos para el rendimiento y que la unión de Ni y Fe a un contenido óptimo condujo a una eficiencia óptima de los REA y a una mejor cinética de reacción. La muestra de 1Ni1Fe-MFS demostró la mayor actividad intrínseca de REA, mientras que el catalizador de 2Ni1Fe-MFS tuvo la mayor capacitancia de doble capa y área de superficie electroquímicamente activa. Se llevaron a cabo una serie de investigaciones espectroscópicas para determinar los cambios en el catalizador después de los REA. Demostraron que en presencia del KOH, el Si estaba grabado, exponiendo los elementos Ni y Fe, que eran los centros activos de los REA. Trabajos posteriores demostraron que, incluso después de un funcionamiento eléctrico a largo plazo, el catalizador 2Ni1Fe-MFS sigue siendo altamente eficiente y estable durante el proceso de REA, en comparación con las pruebas con los electrodos de IrO₂ y RuO₂.
