Syreminskningsreaktion

Inom kemi hänvisar syrereduktionsreaktionen till reduktionshalvreaktionen varvid O 2 _reduceras till vatten eller väteperoxid . I bränsleceller är reduktionen till vatten att föredra eftersom strömmen är högre. Syreminskningsreaktionen är väl demonstrerad och mycket effektiv till sin natur.

Stökiometri

Stökiometrierna för syrereduktionsreaktionen, som beror på mediet, visas:

4e ⁻ väg i surt medium: ${\ce {O2 + 4 e- + 4H+ -> 2 H2O}}$

2e ⁻ väg i surt medium: ${\ce {O2 + 2e- + 2H+ -> H2O2}}$

4e ⁻ väg i alkaliskt medium: ${\ce {O2 + 4e- + 2H2O -> 4 OH-}}$

2e ⁻ väg i alkaliskt medium: ${\ce {O2 + 2e- + H2O -> HO2- + OH-}}$

4e- väg i fast oxid: ${\ce {O2 + 4e- -> 2 O^2-}}$

4e ^- reaktionen är katodreaktionen i bränsleceller, särskilt i protonutbytesmembranbränsleceller , alkaliska bränsleceller och fastoxidbränsleceller . Medan 2e ⁻ reaktionsvägsreaktionen ofta är sidoreaktionen av 4e- bana eller kan användas vid syntes av H ₂ O ₂ .

Katalysatorer

Biokatalysatorer

Syreminskningsreaktionen är en väsentlig reaktion för aeroba organismer. Sådana organismer drivs av förbränningsvärmen av bränsle (mat) av O ₂ . Istället för förbränning förlitar sig organismer på utarbetade sekvenser av elektronöverföringsreaktioner, ofta kopplade till protonöverföring. Den direkta reaktionen av O ₂ med bränsle förhindras av syrereduktionsreaktionen, som producerar vatten och adenosintrifosfat . Cytrokromoxidas påverkar syrereduktionsreaktionen genom att binda O ₂ i ett hem - Cu -komplex. I laccase är O ₂ engagerad och reducerad med ett fyrkopparaggregat. Tre Cu-centra binder O ₂ och ett Cu-centrum fungerar som en elektrondonator.

Heterogena katalysatorer

I bränsleceller är platina den vanligaste katalysatorn. Eftersom platina är dyrt dispergeras det på en kolbärare. Vissa aspekter av platina är mer aktiva än andra.

Koordinationskomplex

Detaljerat mekanistiskt arbete resultat från studier på övergångsmetalldioxygenkomplex, som representerar modeller för det initiala mötet mellan O ₂ och metallkatalysatorn. Tidiga katalysatorer för syrereduktionsreaktionen var baserade på koboltftalocyaniner . Många relaterade koordinationskomplex har testats. eftersom syrereduktionsreaktionskatalysatorn och olika elektrokatalysprestanda uppnåddes av dessa små molekyler. Dessa spännande resultat utlöser ytterligare forskning av de icke-ädelmetallinnehållna små molekylerna som används för syrereduktionsreaktionselektrokatalysatorn. Förutom ftalocyanin porfyrin också en lämplig ligand för metallcentrum för att tillhandahålla N ₄ del i MN ₄ -stället. I biosystem bärs många syrerelaterade fysikalisk-kemiska reaktioner av proteiner som innehåller metall-profyrinenheten såsom O ₂ -tillförsel, O ₂ -lagring, O ₂ -reduktion och H ₂ O ₂ oxidation.

Senaste utveckling och modifiering

Eftersom syrereduktionsreaktionen i bränsleceller måste katalyseras heterogent, behövs alltid ledande substrat såsom kolmaterial för att konstruera elektrokatalysatorer. För att öka konduktiviteten och förbättra interaktionen med substratbelastning utförs vanligtvis värmebehandling före applicering. Under behandlingen vänder sig M-N4-aktiva ställen till att aggregera spontant på grund av den höga inneboende energin, vilket dramatiskt kommer att minska den aktiva platsens täthet. Att öka densiteten på det aktiva stället och skapa dispergerad katalysator på atomnivå är därför ett nyckelsteg för att förbättra katalysatoraktiviteten. För att lösa detta problem kan vi använda några porösa substrat för att begränsa de aktiva platserna eller använda någon defekt eller ligander för att förhindra migreringen av det aktiva stället. Under tiden kommer den porösa strukturen eller defekten också att vara fördelaktig för syreabsorptionsprocessen.

Förutom densiteten för det aktiva stället spelar elektronkonfigurationen av M-centrum i det aktiva stället för MN ₄ också en viktig roll i aktiviteten och stabiliteten hos en syrereduktionsreaktionskatalysator. Eftersom elektronkonfigurationen av M-centrum kan påverka redoxpotentialen, vilket bestämmer aktiveringsenergin för syrereduktionsreaktionen. För att modulera elektronkonfigurationen är ett enkelt sätt att ändra metallcentrets ligander. Till exempel fann forskare att om N-atomerna i M-N4 aktiva platser är pyrroliska eller pyridiniska kan påverka katalysatorns prestanda. Dessutom kan vissa heteroatomer som S, P andra än N också användas för att modulera elektronkonfigurationen, eftersom dessa atomer har olika elektronegativitet och elektronkonfiguration.