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Introducción
El impulso global para el aire limpio, el agua más segura y la energía sostenible ha intensificado la búsqueda de materiales catalíticos avanzados. Los catalizadores tradicionales basados en metales preciosos como platino, palladio y rhodium ofrecen alta actividad y selectividad pero vienen con desventajas de descomposición de cobre: costo extremo, limitaciones de suministro geopolítico y rendimiento de nanotecnología abundantes.
Las tecnologías de limpieza de metales no preciosos funcionan a través de diversos mecanismos que van desde el ciclismo de redox en superficies de óxido hasta la transferencia de electrones en compuestos de metal-ntrógeno-carbono. Su capacidad para impulsar reacciones clave - reducción de oxígeno, evolución de hidrógeno, oxidación contaminante y reducción de óxido de nitrógeno- los hace indispensables en las células de combustible, electrolizadores, y eliminación de residuos de la síntesis de productos
Importancia de los catalizadores de metal no preciosos
La catalisis ambiental enfrenta una tensión fundamental: los catalizadores más activos conocidos son a menudo los más caros y menos sostenibles. Metales preciosos como el platino cuestan varias decenas de miles de dólares por kilogramo, y sus reservas se concentran en un puñado de países, creando vulnerabilidad de la oferta. Los catalizadores metálicos no caros rompen esta dependencia. Normalmente son de 100 a 1.000 veces más baratos por kilogramo, y sus materias primas están reduciendo ampliamente los riesgos locales y de producción y producción.
Más allá de la economía, los NPMC ofrecen ventajas ambientales durante la fabricación. Los metales de grupo de minas y refinación generan emisiones de carbono significativas, colas tóxicas y contaminación del agua. En contraste, muchos metales no preciosos pueden ser fuente de corrientes de reciclaje o minerales abundantes con menor huella ambiental. Las evaluaciones del ciclo de vida muestran cada vez más que los NPMC, a pesar de requerir una síntesis más compleja, pueden lograr efectos ambientales más bajos al considerar la cuna.
Además, la versatilidad de los NPMC permite la adaptación de la química superficial, la porosidad y la estructura electrónica para equiparar las reacciones específicas. Esta tunabilidad ha permitido catalizadores que rivalizan o incluso superan los parámetros de referencia de metal preciosos en ciertas condiciones, particularmente en los electrolitos alcalinos o a temperaturas elevadas.El resultado es una biblioteca de composiciones catalizadoras que pueden ser
Tipos de Catalizantes de Metales No Preciosos
La diversidad de los NPMC refleja la variedad de reacciones ambientales que deben facilitar. En términos generales, se clasifican en cuatro categorías, cada una con características estructurales y características mecanicistas.
Oxidos de metal de transición
Oxides de metales de transición de primera fila (particularmente manganeso, hierro, cobalto, níquel y cobre) están entre los NPMC más estudiados. Su actividad catalítica se deriva de estados de oxidación variable, vacantes de oxígeno y la capacidad de formar facetas cristalinas bien definidas.Por ejemplo, el dióxido de manganeso (MnO2) en su compuesto de alfa y beta
Sulfuros metálicos y selenides
La estructura de metales de disulfuro (MoS2) y disulfuro de tungsteno (WS2), han surgido como catalizadores no preciosos líderes para la reacción de la evolución del hidrógeno (HER). Los sitios activos residen en los bordes de las capas bidimensionales, donde los átomos de sulfuros se coordinan para formar una energía de unión casi óptima para los átomos de hidrógeno.
Catalysts de base de carbono dopados con metales
El material de la fusión de metales con el biodifusión de metales es un avance en la sustitución de platinos por la reacción de reducción de oxígeno (ORR) en células de combustible. El catalizador arquetípico se forma mediante el uso de un precursor que contiene un metal de transición (normalmente hierro o cobalto), nitrógeno y un soporte de carbono.
Perovskite y Materiales Relacionados
Los nanoequipos de la energía eléctrica son una gran ventaja de la energía, perovskita y la energía de la energía, y la resistencia a la radiación, y la resistencia a la radiación, la cual es una forma de vida.
Aplicaciones en Tecnologías Ambientales
Los catalizadores de metales no preciosos son ahora parte integrante de numerosas tecnologías ambientales, desde la conversión de energía hasta la reducción de la contaminación. Su despliegue abarca prototipos de laboratorio a pilotos industriales, con varias tecnologías que se acercan a la preparación comercial.
Células de combustible para energía limpia
Las células de combustible convierten la energía química de combustibles de hidrógeno o de moléculas pequeñas en electricidad con agua como el único subproducto. La reacción de reducción de oxígeno de catodio (ORD) es el principal cuello de botella cinético, que tradicionalmente requiere catalizadores de platino comparables.
Agua electrocatalítica Separación para hidrógeno
La producción de hidrógeno verde mediante el electrolito es una piedra angular de futuros sistemas de energía descarbonizada. La reacción global consiste en la reacción de la evolución del hidrógeno (HER) en el catodio y la reacción de la evolución del oxígeno (OER) en el ánodo.
Degradation of Organic Pollutants in Wastewater
El agua de metales de hierro de metales de hierro de metales de alta calidad (en inglés) y en el caso de los catalíticos de metales de hierro de alta calidad (en inglés)
Reducción de óxidos de nitrógeno en gases de escape
Reducción catalítica selectiva (SCR) de los óxidos de nitrógeno (NOx) de los vehículos y las emisiones industriales normalmente utilizan catalizadores de vanadio o de cobre-zeolite. Mientras que estos contienen algunos metales no preciosos, continúa la búsqueda de alternativas más baratas y térmicamente estables.
Conversión de Dióxido de carbono
Cálculo de la producción de metales no preciosos (CO2RR) para la producción de carbono de alta calidad (exido) de los metales no preciosos, y la producción de metales de alta calidad (CO2RR) para el monoxido de carbono, ácido formico, metanol e hidrocarburos.
Avances en síntesis y caracterización
El rendimiento de los catalizadores metálicos no preciosos está íntimamente ligado a su síntesis y a la nanoestructura resultante. Los avances clave han permitido el diseño racional de los sitios activos con precisión sin precedentes.
Síntesis de Nanoparticle controlada
Los métodos químicos de la capa de agua, los nanocubos de óxido de cobalto con los nanocubos expuestos {100} las facetas muestran actividad de RCE cinco veces mayor que las nanopartículas irregulares. La síntesis con ayuda de la plantilla mediante la silica mesoporosa o los copolímeros de bloques crea materiales de alta superficie con los cuales se ordenan los nanopartículas
Pirolisis y Carbonización
Las células de metales de la serie de metales de la serie de metales de la serie de metales de la serie de metales de la serie de metales de la serie de metales de la serie de metales de la serie de metales de la serie de metales de la serie de metales de la serie de metales de la serie de metales de la serie de metales de la serie de
En Situ y Operando Caracterización
La comprensión de cómo los catalizadores evolucionan bajo condiciones de funcionamiento es crítica para la optimización racional. Técnicas avanzadas como la espectroscopia de absorción de rayos X (XAS), espectroscopía fotoelectrónica de presión ambiental (AP-XPS) y microscopía electrones de transmisión (TEM) con células ambientales ahora permiten a los investigadores observar cambios en la formación de ligandos, y tamaño de nanopartícula en tiempo real.
Desafíos y futuras orientaciones
A pesar de los notables avances, quedan varias barreras antes de que los catalizadores metálicos no preciosos puedan desplazar completamente metales preciosos en aplicaciones ambientales. Los desafíos más apremiantes implican durabilidad, paridad de actividad en condiciones realistas y manufacturabilidad.
Durabilidad en entornos de daños
En las células de combustible y los electrolizadores, los catalizadores enfrentan entornos altamente ácidos o alcalinos, grandes potencialidades y especies radicales que atacan soportes de carbono y centros de metal. Los catalizadores de M-N-C suelen perder 20-40% de su actividad inicial dentro de 100–500 horas de funcionamiento en los medios ácidos.
Actividad Gap bajo condiciones de tensión
En los mejores casos, los NPMC coinciden con un rendimiento metálico precioso en medios alcalinos o neutrales. Sin embargo, en las células de combustible de membrana de intercambio de protones ácidos que potencian las aplicaciones automotrices, los catalizadores basados en platinos todavía tienen una ventaja de ~50 mV en densidades de alta corriente. Además, la actividad de NPMCs para la OER en la ingeniería de ácido (necesidad de la polivalidación de agua) sigue siendo pobre
Fabricación escalable
Para los nichores de membrana M-N-C, los principales se están explorando como alternativas escalables, como los anclajes de la membrana de la membrana, los anclajes de la membrana que se pueden convertir en un gran reto de fabricación de metales, que se traduce en una síntesis de bajo costo a escala de kilogramos.
Catalysts híbridos y multifuncionales
Los futuros indicadores de la IA se desplazan más allá de los catalizadores de una fase única hacia los híbridos que apalancan efectos sinérgicos. Por ejemplo, la combinación de un óxido de metal (Callyst de OER) con un sulfuro de metal (Callyst) en un soporte de carbono conductivo produce un electrodo bifuncional para la división total de agua.
Observaciones finales
El desarrollo de los catalizadores de metal no preciosos para las aplicaciones ambientales se encuentra en un momento crítico. Décadas de investigación fundamental han producido una profunda comprensión de la catalisis a nivel atómico, y las técnicas sintéticas permiten ahora la construcción precisa de sitios activos. Los desafíos restantes se están abordando sistemáticamente a través de un mejor diseño de materiales, caracterización avanzada y procesamiento escalable.