Nel campo delle reazioni elettrochimiche, in particolare nella riduzione della CO₂, l'identificazione e lo sviluppo di catalizzatori efficienti sono della massima importanza. Tra i vari materiali studiati, i catalizzatori metallo-azoto-carbonio (M-N-C) sono emersi come candidati promettenti grazie alla loro elevata attività e selettività. Tuttavia, comprendere i meccanismi sottostanti che governano le loro prestazioni catalitiche rimane una sfida significativa.

Una svolta significativa a questo riguardo è stata la scoperta del ruolo preminente degli atomi vicini nel potenziare l’attività catalitica dei materiali M-N-C. Questi atomi vicini, tipicamente coordinati ai centri metallici, esercitano una profonda influenza sulla struttura elettronica e sulla reattività dei siti attivi.

Un aspetto cruciale è la modifica elettronica dei centri metallici. Gli atomi vicini possono alterare la densità elettronica e lo stato di ossidazione degli ioni metallici, modulando così la loro interazione con le molecole di CO₂. Questa regolazione elettronica influenza l’adsorbimento e l’attivazione della CO₂, che sono passaggi critici nel processo di riduzione elettrochimica.

Ad esempio, nel caso dei catalizzatori Fe-N-C, è stato dimostrato che la presenza di atomi vicini come fosforo (P) o zolfo (S) modifica la densità elettronica dei centri Fe. Questa modifica aumenta la forza di adsorbimento della CO₂ e facilita la formazione di intermedi di reazione, portando infine a una migliore attività catalitica.

Inoltre anche gli atomi vicini possono partecipare direttamente al meccanismo di reazione. Possono agire come co-catalizzatori o promotori che facilitano passaggi specifici nel percorso di riduzione della CO₂. Ad esempio, alcuni atomi vicini possono fornire ulteriori siti attivi per l’adsorbimento di CO₂ o promuovere il desorbimento dei prodotti di reazione, accelerando così la velocità complessiva della reazione.

Oltre a questi effetti, gli atomi vicini possono influenzare la stabilità e la durata dei catalizzatori M-N-C. Modificando la struttura elettronica e l'ambiente chimico dei siti attivi, gli atomi vicini possono aumentare la resistenza del catalizzatore alla disattivazione e alla degradazione, che sono fattori critici per le applicazioni pratiche.

In conclusione, gli atomi vicini nei catalizzatori metallo-azoto-carbonio svolgono un ruolo fondamentale nel potenziare l’attività di riduzione elettrochimica della CO₂. Influenzano la struttura elettronica, la reattività e la stabilità dei catalizzatori, consentendo un'efficiente conversione della CO₂ e aprendo la strada a processi elettrochimici sostenibili.