Los químicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Han diseñado un nuevo catalizador que acelera la velocidad de un paso clave en la "fotosíntesis artificial", un esfuerzo para imitar cómo las plantas, las algas y algunas bacterias aprovechan la luz solar para convertir el aguay dióxido de carbono en combustibles ricos en energía. Este paso, llamado oxidación del agua, libera protones y electrones de las moléculas de agua, produciendo oxígeno como subproducto.
Este catalizador de "sitio único", lo que significa que toda la secuencia de reacción tiene lugar en un solo sitio catalítico de una molécula, es el primero en igualar la eficiencia de los sitios catalíticos que impulsan esta reacción en la naturaleza.el diseño y la alta eficiencia mejoran en gran medida el potencial para hacer dispositivos eficientes de conversión de energía solar a combustible.
"El objetivo final es romper esos bloques de construcción moleculares - los protones y electrones - para producir combustibles como el hidrógeno", dijo David Shaffer, investigador asociado de Brookhaven y autor principal en un artículo que describe el trabajo en el Revista de la Sociedad Americana de Química . "Cuanto más eficiente es el ciclo de oxidación del agua, más energía podemos almacenar"
Pero separar las moléculas de agua no es fácil.
"El agua es muy estable", dijo el químico de Brookhaven Javier Concepción, quien dirigió el equipo de investigación. "El agua puede sufrir muchos ciclos de ebullición / condensación y permanece como H2O. Para sacar los protones y electrones, necesitamos hacer el agualas moléculas reaccionan entre sí "
El catalizador actúa como un manipulador químico, revolviendo los activos de las moléculas de agua electrones, iones de hidrógeno protones y átomos de oxígeno para que la reacción ocurra.
El nuevo diseño del catalizador se basa en uno que el grupo desarrolló el año pasado, dirigido por el estudiante graduado Yan Xie, que también era un catalizador de sitio único, con todos los componentes necesarios para la reacción en una sola molécula. Este enfoque es atractivo porque elLos científicos pueden optimizar cómo se organizan las diversas partes para que las moléculas que reaccionan se unan de la manera correcta. Tales catalizadores no dependen de la difusión libre de moléculas en una solución para lograr reacciones, por lo que tienden a seguir funcionando incluso cuando se fijan auna superficie, como lo serían en dispositivos del mundo real.
"Usamos modelos informáticos para estudiar las reacciones a nivel teórico para ayudarnos a diseñar nuestras moléculas", dijo Concepción. "De los cálculos tenemos una idea de lo que funcionará o no, lo que ahorra tiempo antes de ingresar al laboratorio"
Tanto en el diseño de Xie como en la nueva mejora, hay un metal en el núcleo de la molécula, rodeado de otros componentes que los científicos pueden elegir para dar al catalizador propiedades particulares. La reacción comienza oxidando el metal, que separa los electrones deloxígeno en una molécula de agua. Eso deja un oxígeno "cargado positivamente" o "activado" y dos hidrógenos cargados positivamente protones.
"Quitar electrones hace que los protones sean más fáciles de liberar. Pero necesitas que esos protones vayan a algún lado. Y es más eficiente si eliminas los electrones y protones al mismo tiempo para evitar la acumulación de cargas excesivas", dijo Concepción"Así que Xie agregó grupos fosfonato como ligandos en el metal para actuar como una base que aceptaría esos protones", explicó. Esos grupos fosfonato también facilitaron la oxidación del metal para eliminar los electrones en primer lugar.
Pero aún existía un problema. Para activar la molécula de H2O, primero necesita que se una al átomo de metal en el centro del catalizador.
En el primer diseño, los grupos fosfonato estaban tan fuertemente unidos al metal que impedían que la molécula de agua se uniera al catalizador lo suficientemente temprano como para mantener el proceso funcionando sin problemas. Eso ralentizó el ciclo catalítico.
Entonces el equipo hizo una sustitución. Mantuvieron un grupo de fosfonato para que actuara como base, pero cambiaron el otro por un carboxilato menos unido.
"El grupo carboxilato puede ajustar más fácilmente su coordinación al centro de metal para permitir que la molécula de agua entre y reaccione en una etapa anterior", dijo Shaffer.
"Cuando intentamos diseñar mejores catalizadores, primero tratamos de descubrir cuál es el paso más lento. Luego rediseñamos el catalizador para acelerar ese paso", dijo. "El trabajo de Yan fue un paso más rápido, y eso hizo queuno de los otros pasos termina siendo el más lento. Entonces, en el trabajo actual, aceleramos ese segundo paso mientras mantenemos el primero rápido ".
La mejora transformó un catalizador que creó dos o tres moléculas de oxígeno por segundo en uno que produce más de 100 por segundo, con un aumento correspondiente en la producción de protones y electrones que pueden usarse para crear combustible de hidrógeno.
"Esa es una velocidad comparable a la velocidad de esta reacción en la fotosíntesis natural, por sitio catalítico", dijo Concepción. "El catalizador de fotosíntesis natural tiene cuatro centros metálicos y el nuestro solo tiene uno", explicó. "Pero el naturalel sistema es muy complejo con miles y miles de átomos. Sería extremadamente difícil replicar algo así en el laboratorio. Esta es una molécula única y cumple la misma función que ese sistema tan complejo ".
El siguiente paso es probar el nuevo catalizador en dispositivos que incorporan electrodos y otros componentes para convertir los protones y electrones en combustible de hidrógeno, y luego, con compuestos absorbentes de luz para proporcionar energía para impulsar toda la reacción.
"Ahora tenemos sistemas que funcionan bastante bien, así que tenemos muchas esperanzas", dijo Concepción.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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