Al dividir una molécula de agua en dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, los científicos pueden usar la energía ilimitada del sol para hacer un combustible limpio. En un nuevo estudio del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE y HarvardEn la universidad, los científicos han podido ver por primera vez un paso especialmente importante en el proceso de división del agua, que puede acercarnos a la abundante energía solar para todos.
La división de una molécula de agua requiere un catalizador metálico para que la reacción comience. Recientemente, mucha atención científica se ha centrado en el cobalto, un catalizador relativamente abundante y económico que, en las circunstancias correctas, puede servir como escolta para un baile electrónicoentre hidrógenos y oxígenos.
"Esencialmente, le permite tener una instantánea enfocada, en lugar de solo ver un desenfoque químico. Es importante que determinemos las características del catalizador en la escala de tiempo en que se mueven los electrones".
"Los catalizadores que evolucionan con oxígeno de cobalto son los componentes activos en tecnologías como las hojas artificiales y otros materiales en los que puede recolectar luz para impulsar la síntesis de combustibles solares", dijo el investigador postdoctoral de Argonne Ryan Hadt, coautor del estudio..
La reacción general de división del agua en realidad tiene dos mitades. Los investigadores se centraron en la primera mitad, llamada oxidación del agua, que requiere la transferencia de cuatro protones y cuatro electrones y finalmente resulta en la formación de un enlace oxígeno-oxígeno. Para estoproceso, los oxígenos necesitan un compañero de baile temporal, que es interpretado por el catalizador de cobalto.
Pero la razón por la que este baile aún no se comprende bien es que las transferencias y la formación del vínculo suceden en un instante: todo el proceso lleva menos de una milmillonésima de segundo. Para comprender los matices de la acción de vinculación,los investigadores debían realizar mediciones de espectroscopía de absorción de rayos X en la fuente avanzada de fotones de Argonne.
En su análisis, los investigadores se centraron en un giro químico particularmente intrigante. Al comienzo del proceso, un puente de dos átomos de oxígeno conecta dos iones de cobalto. Cada uno de los iones de cobalto, a su vez, está conectado a su propia molécula de aguaEn este punto, las cosas son bastante estables.
La danza electrónica está lista para comenzar cuando un ion de cobalto agrega una carga positiva adicional, aumentando temporalmente un número característico que los científicos llaman "estado de oxidación". En el caso del cobalto, el estado de oxidación cambia, solo por un instante, detres a cuatro.
Cuando dos iones de cobalto con un estado de oxidación de cuatro entran en contacto, el proceso comienza en serio. Las transferencias de carga hacen que los átomos de hidrógeno de las moléculas de agua se disocien de sus enlaces de oxígeno, dejando los átomos de cobalto unidos solo a iones de oxígeno.
El momento clave sigue inmediatamente después, cuando los centros de cobalto reciben cada uno un electrón adicional de los átomos de oxígeno recién expuestos. Cuando esto sucede, se forma un enlace entre los dos oxígenos, creando una etapa molecular intermedia llamada peróxido, que puede serse oxida rápidamente para liberar una molécula de dioxígeno. Los electrones obtenidos del agua durante este proceso pueden usarse para producir combustibles solares.
Al utilizar la Fuente avanzada de fotones, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE, los investigadores pudieron medir directamente los estados de oxidación de cobalto y luego usar la teoría para calcular una cantidad conocida como "acoplamiento de intercambio", un valor mecánico cuántico que identifica elrelación entre los espines de los electrones que se transportan entre los átomos de oxígeno y cobalto. Los investigadores descubrieron que estos espines de electrones están en direcciones opuestas: en lenguaje científico, están acoplados antiferromagnéticamente.
"El antiferromagnetismo juega un papel importante en la formación del enlace oxígeno-oxígeno", dijo Hadt, "ya que proporciona una manera de transferir simultáneamente dos electrones para formar un enlace químico".
El investigador postdoctoral de Argonne y autor del estudio, Dugan Hayes, también señaló la capacidad única de la Fuente avanzada de fotones para resolver la ubicación de los átomos de cobalto extra oxidados. "Esencialmente, le permite tener una instantánea enfocada, en lugar de solo verun borrón químico ", dijo." Es importante que determinemos las características del catalizador en la escala de tiempo en que se mueven los electrones ".
Un documento basado en la investigación, "Caracterización in situ de centros cofaciales de Co IV en Co 4 O 4 cubane: Modelando el sitio activo de alto valor en catalizadores que evolucionan con oxígeno, "apareció en la edición del 27 de marzo de la Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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