Op het gebied van elektrochemische reacties, met name CO₂-reductie, is de identificatie en ontwikkeling van efficiënte katalysatoren van het allergrootste belang. Van de verschillende onderzochte materialen zijn metaal-stikstof-koolstof (M-N-C)-katalysatoren veelbelovende kandidaten gebleken vanwege hun hoge activiteit en selectiviteit. Het begrijpen van de onderliggende mechanismen die hun katalytische prestaties bepalen, blijft echter een aanzienlijke uitdaging.

Een belangrijke doorbraak in dit opzicht is de ontdekking van de prominente rol van naburige atomen bij het versterken van de katalytische activiteit van M-N-C-materialen. Deze naburige atomen, doorgaans gecoördineerd met de metaalcentra, oefenen een diepgaande invloed uit op de elektronische structuur en reactiviteit van de actieve sites.

Een cruciaal aspect is de elektronische aanpassing van de metaalcentra. Naburige atomen kunnen de elektronendichtheid en de oxidatietoestand van de metaalionen veranderen, waardoor hun interactie met CO₂-moleculen wordt gemoduleerd. Deze elektronische afstemming beïnvloedt de adsorptie en activering van CO₂, wat cruciale stappen zijn in het elektrochemische reductieproces.

In het geval van Fe-N-C-katalysatoren is bijvoorbeeld aangetoond dat de aanwezigheid van aangrenzende atomen zoals fosfor (P) of zwavel (S) de elektronendichtheid van de Fe-centra wijzigt. Deze modificatie verbetert de CO₂-adsorptiesterkte en vergemakkelijkt de vorming van reactietussenproducten, wat uiteindelijk leidt tot verbeterde katalytische activiteit.

Bovendien kunnen naburige atomen ook rechtstreeks deelnemen aan het reactiemechanisme. Ze kunnen fungeren als co-katalysatoren of promoters die specifieke stappen in het CO₂-reductietraject faciliteren. Sommige naburige atomen kunnen bijvoorbeeld extra actieve plaatsen bieden voor CO₂-adsorptie of de desorptie van reactieproducten bevorderen, waardoor de algehele reactiesnelheid wordt versneld.

Naast deze effecten kunnen aangrenzende atomen de stabiliteit en duurzaamheid van M-N-C-katalysatoren beïnvloeden. Door de elektronische structuur en de chemische omgeving van de actieve locaties te wijzigen, kunnen aangrenzende atomen de weerstand van de katalysator tegen deactivering en afbraak vergroten, wat kritische factoren zijn voor praktische toepassingen.

Concluderend spelen de aangrenzende atomen in metaal-stikstof-koolstof-katalysatoren een cruciale rol bij het stimuleren van de elektrochemische reductieactiviteit van CO₂. Ze beïnvloeden de elektronische structuur, reactiviteit en stabiliteit van de katalysatoren, waardoor een efficiënte CO₂-omzetting mogelijk wordt en de weg wordt vrijgemaakt voor duurzame elektrochemische processen.