En la carrera por la energía limpia, los científicos han dado un paso gigante. Químicos de la Universidad de Kansas y del Departamento de Energía de los EE. UU. (DOE) del Laboratorio Nacional de Brookhaven han desentrañado todo el mecanismo de reacción para una clase crucial de catalizadores que dividen las moléculas de agua, lo que podría permitir la producción de hidrógeno a partir de fuentes de energía renovables como la energía solar.
El hidrógeno, el elemento más sencillo en la Tierra, es un combustible limpio que podría revolucionar la industria energética. Sin embargo, aunque es un elemento sencillo, su obtención no lo es tanto. El hidrógeno puro es extremadamente raro en la naturaleza, y los métodos prácticos para producirlo actualmente dependen de los combustibles fósiles. Sin embargo, si los científicos encuentran el catalizador químico adecuado, capaz de separar el hidrógeno y el oxígeno en las moléculas de agua, el hidrógeno puro podría producirse de fuentes de energía renovables.
Dmitry Polyansky, químico de Brookhaven y coautor del estudio, afirma que “es muy raro poder entender completamente todo el ciclo catalítico”. Esto se debe a que las reacciones pasan por muchas etapas, algunas de las cuales son muy rápidas y no pueden ser fácilmente observadas.
Fue durante la investigación de posibles candidatos cuando James Blakemore, profesor asociado de la Universidad de Kansas, notó algo inusual en un catalizador en particular, conocido como complejo Cp*Rh (pentametilciclopentadienil rodio). Este catalizador mostraba reactividad en un área donde las moléculas suelen ser estables.
Para resolver las preguntas que surgieron de esta observación, Blakemore colaboró con químicos de Brookhaven para utilizar una técnica de investigación especializada llamada radiólisis de pulso. Esta técnica utiliza la energía de los aceleradores de partículas para aislar etapas rápidas y difíciles de observar dentro de un ciclo catalítico.
La radiólisis de pulso permite acelerar electrones hasta velocidades muy altas. Cuando estos electrones pasan a través de la solución química que se está estudiando, ionizan las moléculas del solvente, generando especies cargadas que son interceptadas por las moléculas de catalizador, lo que altera rápidamente su estructura. A continuación, se utilizan herramientas de espectroscopia para monitorizar la reactividad química después de este cambio rápido.
Usando radiólisis de pulso y espectroscopia resuelta en el tiempo, junto con técnicas más comunes de electroquímica y de flujo detenido, el equipo pudo descifrar cada paso del complejo ciclo catalítico, incluyendo los detalles de la reactividad inusual que ocurre en la estructura de los ligandos.
Lo más notable de este ciclo catalítico es la participación directa de los ligandos, a menudo, esta área de la molécula es solo un espectador, pero los investigadores observaron reactividad dentro de los ligandos que aún no se había demostrado para esta clase de compuestos. Se demostró que un grupo hidruro, un producto intermedio de la reacción, saltaba al ligando Cp*, lo que comprobaba que este ligando era una parte activa del mecanismo de reacción.
Capturar estos precisos detalles químicos hará que sea mucho más fácil para los científicos diseñar catalizadores más eficientes, estables y económicos para producir hidrógeno puro. Los investigadores también esperan que sus hallazgos proporcionen pistas para descifrar mecanismos de reacción para otras clases de catalizadores.
Esto solo es una serie de experimentos dentro de un gran cuerpo de trabajo en energía limpia que los científicos de la Universidad de Kansas y el Laboratorio Brookhaven están llevando a cabo. “Estamos construyendo el conocimiento químico fundamental que ayudará, algún día, a los científicos a diseñar el catalizador óptimo para producir hidrógeno puro”, concluye Polyansky.
Referencia: http://dx.doi.org/10.1073/pnas.2217189120
