Critérios de Design para Eletrocatalisadores de Evolução de Oxigênio a Partir de Princípios Fundamentais: Introdução de uma Abordagem Unificadora de Triagem de Materiais

A reação de evolução de oxigênio (OER) é o gargalo em eletrólitos de membrana de troca de prótons (PEM), pois são necessários sobrepotenciais substanciais para a formação de oxigênio gasoso no lado do ânodo a fim de alcançar uma densidade de corrente satisfatória. Nos últimos anos, investigações de pesquisa substanciais foram dedicadas à busca de materiais eletrodos com atividade OER aprimorada. Diversas estruturas são propostas na literatura. O método convencional baseado na abordagem do eletrodo de hidrogênio computacional depende de uma avaliação das energias de ligação simples, derivando relações de escalonamento linear que se traduzem em um gráfico de vulcão a zero sobrepotencial. Recentemente, o conceito tradicional de vulcão foi estendido, considerando que o sobrepotencial aplicado e a cinética foram contabilizados por meio da dedução de curvas de vulcão dependentes de sobrepotencial ou relações de escalonamento cinético, respectivamente. Uma estrutura alternativa corresponde ao índice de simetria de etapas eletroquímicas (ESSI), que foi sugerido como uma medida aprimorada na busca de potenciais eletrocatalisadores OER. Até agora, não há conexão entre esses diversos métodos, e permanece obscuro qual dessas abordagens é mais adequada para fins de triagem de materiais. No exemplo da OER sobre óxidos de metais de transição, porfirinas, perovskitas, óxidos metálicos e materiais grafíticos funcionalizados, é apresentada uma combinação poderosa de relações de escalonamento linear, relações de escalonamento cinético, gráficos de vulcão dependentes de sobrepotencial e ESSI. Embora os custos computacionais para essa abordagem unificadora sejam os mesmos da análise tradicional de vulcão, a inclusão de um único parâmetro de entrada experimental na estrutura subjacente possibilita obter percepções sem precedentes no design de catalisadores, levando em consideração vários aspectos, como energias de ligação, sobrepotencial aplicado, intermediário de reação decisivo, passo de reação limitante de taxa e simetria catalítica. Sugere-se empregar o conceito de mapas de atividade, conforme apresentado nesta contribuição, para estudos de triagem de materiais de processos multieletrônicos em ciência de energia e ambiental.