Desarrollo de electrocatalizadores libres de metales del grupo del platino para la reacción de reducción de oxígeno en medio alcalino

Abstract

Este trabajo aborda el desarrollo de catalizadores Fe–N–C para la reacción de reducción de oxígeno en medio alcalino, como alternativa a los materiales basados en metales del grupo del platino. A partir de una revisión exhaustiva de la literatura se analizó la evolución del entendimiento de los sitios activos y de las metodologías de síntesis, identificando estrategias con potencial para el diseño de materiales de alto desempeño. Se implementó una estrategia metodológica secuencial empleando ftalocianina de hierro como precursor principal. Inicialmente, la incorporación de fuentes externas de nitrógeno y carbono incrementó la actividad catalítica. Posteriormente, se evaluó el método VariPore como alternativa para mejorar la microestructura carbonosa y la dispersión de los sitios activos, el cual fue validado mediante la reproducción de un estudio de la literatura y luego adaptado a los catalizadores desarrollados, logrando mejoras significativas en el desempeño electroquímico. En una etapa posterior, se aplicó un diseño estadístico de mezclas para optimizar la composición precursora, obteniéndose un modelo predictivo con un R² ajustado del 95.96 % y un S de 3.54 mV, capaz de describir con precisión la relación entre dicha composición y el potencial de media onda del material final. Finalmente, se propusieron formulaciones basadas en precursores de bajo costo y fácil acceso, que demostraron un desempeño competitivo. En conjunto, los resultados establecen lineamientos metodológicos para el diseño racional de catalizadores Fe–N–C, validan el potencial de media onda como parámetro robusto en estudios de optimización y demuestran la viabilidad de fabricar materiales de bajo costo y alto desempeño. (Texto tomado de la fuente)

This work addresses the development of Fe–N–C catalysts for the oxygen reduction reaction in alkaline media, as an alternative to platinum-group-metal-based materials. Based on an exhaustive literature review, the evolution of the understanding of active sites and synthesis methodologies was analyzed, identifying strategies with potential for the design of high-performance materials. A sequential methodological strategy was implemented using iron phthalocyanine as the main precursor. Initially, the incorporation of external nitrogen and carbon sources enhanced catalytic activity. Subsequently, the VariPore method was evaluated as an alternative to improve the carbonaceous microstructure and the dispersion of active sites. This methodology was validated by reproducing a study reported in the literature and later adapted to the catalysts developed in this work, achieving significant improvements in electrochemical performance. In a subsequent stage, a statistical mixture design was applied to optimize the precursor composition, yielding a predictive model with an adjusted R² of 95.96 % and an S of 3.54 mV, capable of accurately describing the relationship between precursor composition and the half-wave potential of the final material. Finally, formulations based on low-cost and readily available precursors were proposed, which demonstrated competitive performance. Overall, the results establish methodological guidelines for the rational design of Fe–N–C catalysts, validate the half-wave potential as a robust parameter in optimization studies, and demonstrate the feasibility of producing low-cost, high-performance materials for application in alkaline fuel cells.