En química , la reacción de reducción de oxígeno se refiere a la semirreacción de reducción mediante la cual el O2 se reduce a agua o peróxido de hidrógeno. En las celdas de combustible, se prefiere la reducción a agua porque la corriente es mayor. La reacción de reducción de oxígeno está bien demostrada y es altamente eficiente en la naturaleza. [1] [2]
Se muestran las estequiometrías de la reacción de reducción de oxígeno, que depende del medio: [3]
4e − vía en medio ácido:
2e − vía en medio ácido:
4e − vía en medio alcalino:
2e − vía en medio alcalino:
Vía 4e en óxido sólido:
La reacción de la vía 4e− es la reacción catódica en las pilas de combustible, especialmente en las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones , las pilas de combustible alcalinas y las pilas de combustible de óxido sólido . Mientras que la reacción de la vía 2e− es a menudo la reacción secundaria de la vía 4e- o puede utilizarse en la síntesis de H2O2 .
La reacción de reducción de oxígeno es una reacción esencial para los organismos aeróbicos. Estos organismos se alimentan del calor de la combustión del combustible (alimento) por O 2 . En lugar de la combustión, los organismos dependen de elaboradas secuencias de reacciones de transferencia de electrones, a menudo acopladas a la transferencia de protones. La reacción de reducción de oxígeno impide la reacción directa del O 2 con el combustible, que produce agua y trifosfato de adenosina . La citocromo c oxidasa afecta la reacción de reducción de oxígeno uniendo el O 2 en un complejo hemo - Cu . En la lacasa , el O 2 es acoplado y reducido por un agregado de cuatro cobres. Tres centros de Cu unen el O 2 y un centro de Cu funciona como donante de electrones. [1]
En las pilas de combustible, el platino es el catalizador más común. Como el platino es caro, se dispersa sobre un soporte de carbono. Algunas facetas del platino son más activas que otras. [2]
El trabajo mecanicista detallado resulta de estudios sobre complejos de dioxígeno de metales de transición , que representan modelos para el encuentro inicial entre O 2 y el catalizador metálico. Los primeros catalizadores para la reacción de reducción de oxígeno se basaron en ftalocianinas de cobalto . [4] Se han probado muchos complejos de coordinación relacionados. [5] como catalizador de la reacción de reducción de oxígeno y se logró un rendimiento diferente de electrocatálisis por estas pequeñas moléculas. Estos emocionantes resultados desencadenan una mayor investigación de las pequeñas moléculas que contienen metales no nobles utilizadas para el electrocatalizador de la reacción de reducción de oxígeno. [6] Además de la ftalocianina, la porfirina también es un ligando adecuado para el centro metálico para proporcionar la parte N 4 [ definición necesaria ] en el sitio MN 4. En los biosistemas, muchas reacciones fisicoquímicas relacionadas con el oxígeno son llevadas a cabo por proteínas que contienen la unidad metal-profirina, como el suministro de O 2 , el almacenamiento de O 2 , la reducción de O 2 y la oxidación de H 2 O 2 .
Dado que la reacción de reducción de oxígeno en las celdas de combustible debe catalizarse de manera heterogénea, siempre se necesitan sustratos conductores, como materiales de carbono, para construir electrocatalizadores. Para aumentar la conductividad y mejorar la interacción sustrato-carga, generalmente se realiza un tratamiento térmico antes de la aplicación. Durante el tratamiento, los sitios activos M-N4 se agregan espontáneamente debido a la alta energía intrínseca, lo que reducirá drásticamente la densidad del sitio activo. Por lo tanto, aumentar la densidad del sitio activo y crear un catalizador disperso a nivel atómico es un paso clave para mejorar la actividad del catalizador. Para resolver este problema, podemos usar algunos sustratos porosos para confinar los sitios activos o usar algún defecto o ligandos para evitar la migración del sitio activo. Mientras tanto, la estructura porosa o el defecto también serán beneficiosos para el proceso de absorción de oxígeno. [7]
Además de la densidad del sitio activo, la configuración electrónica del centro M en el sitio activo MN4 también juega un papel importante en la actividad y estabilidad de un catalizador de reacción de reducción de oxígeno. Debido a que la configuración electrónica del centro M puede afectar el potencial redox , que determina la energía de activación de la reacción de reducción de oxígeno. Para modular la configuración electrónica, una forma sencilla es cambiar los ligandos del centro metálico. Por ejemplo, los investigadores encontraron que si los átomos de N en los sitios activos M-N4 son pirrólicos o piridínicos puede afectar el rendimiento del catalizador. [8] [9] Además, algunos heteroátomos como S, P distintos de N también se pueden usar para modular la configuración electrónica, ya que estos átomos tienen diferente electronegatividad y configuración electrónica. [10]
