La búsqueda de enfoques sostenibles para generar nuevos combustibles ha llevado a los científicos a uno de los materiales más abundantes en la Tierra: el óxido de hierro rojizo en forma de hematita, también conocido como óxido.
Los investigadores dicen que el óxido se ha visto durante mucho tiempo como un material potencialmente atractivo para la división del agua solar, un proceso clave que las plantas emplean en la fotosíntesis. Las plantas usan una enzima llamada fotosistema II PSII para absorber la luz y dividir el agua, extrayendo electrones y protones delas moléculas de agua y la generación del oxígeno atmosférico que sustenta la vida en la Tierra.
El óxido puede ofrecer una forma de imitar el aspecto de la fotosíntesis que divide el agua solar, permitiendo que se genere combustible a partir del agua, ya sea combinando protones y electrones para la generación de hidrógeno, o usando los electrones y protones para convertir el dióxido de carbono en combustibles de hidrocarburos.El problema, dicen los científicos, es que el rendimiento del óxido en numerosos experimentos de división del agua ha sido decepcionante en comparación con su potencial teórico. Dicen que falta una comprensión fundamental del mecanismo de reacción, lo que impide el desarrollo de dispositivos para la división directa del agua solar.
Un nuevo estudio de Victor Batista en la Universidad de Yale en colaboración con James Durrant del Imperial College, Londres, y Michael Grätzel del Institut des Sciences et Ingénierie Chimiques, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne, Suiza, ofrece algunas respuestas.
El estudio arroja luz sobre el mecanismo de oxidación del agua que ocurre en la interfaz de óxido de metal / agua. Un estudio combinado computacional y experimental sobre el mecanismo de oxidación del agua encontró que si cambia la intensidad de la luz, también cambia el mecanismo de división del aguasobre hematita. Los investigadores dicen que esto proporciona pistas valiosas sobre la naturaleza de los sitios responsables de la reactividad en la superficie del óxido.
El trabajo computacional realizado por el coautor del estudio Ke Yang, un investigador postdoctoral en el grupo Batista, identificó sitios catalíticos aislados, bajo baja intensidad de luz y un catalizador de dos átomos, Fe OH -O-Fe OHnúcleo: que genera suficiente poder de oxidación para extraer electrones del agua mediante la acumulación de hasta tres equivalentes oxidantes electrones faltantes en condiciones de funcionamiento de 1 sol la intensidad total de la luz solar en un día claro y brillante. Este mecanismo imita la activación de PSIIdurante la fotosíntesis, dijeron los investigadores.
El estudio aparece en la revista Química de la naturaleza .
"La integración del trabajo computacional y experimental ha sido esencial para dilucidar la naturaleza de los sitios catalíticos en superficies de óxido de metal bastante complicadas y la dependencia del mecanismo de reacción en condiciones de baja y alta intensidad de luz", dijo Batista.
En 2018, Batista fue coautor de un estudio separado que describía catalizadores similares de dos átomos. Los investigadores dijeron que el hallazgo, junto con el nuevo estudio, sugiere que los núcleos catalíticos de dos átomos que presentan dos centros metálicos adyacentes podrían ser particularmente adecuados paralograr una división eficiente del agua.
"Hacer oxígeno del agua requiere múltiples oxidaciones", dijo Durrant. "Experimentalmente, la clave de nuestro estudio ha sido utilizar la espectroscopía de absorción óptica para medir cómo cambia la cinética de la oxidación del agua a medida que acumulamos más agujeros en la superficie de la hematita. Esto tienenos permitió determinar las leyes de velocidad y las constantes de velocidad para la reacción; por ejemplo, determinar cuántos agujeros deben unirse para acceder al paso de limitación de velocidad de la reacción y determinar la energía de activación para la reacción ".
Batista y Durrant son autores correspondientes del estudio. El equipo de Yale incluyó a Yang y el estudiante visitante Pablo Garrido del Institut Català d'Inverstigació Quimica, España. Batista es el Profesor John Randolph Huffman de Química y miembro de la facultad de Ciencias de la Energía de YaleInstituto y el Instituto Cuántico de Yale.
La investigación fue financiada en parte por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU. El trabajo fue ayudado por el tiempo de computadora proporcionado por el Centro Nacional de Investigación Científica de Investigación de Energía Energética y el Centro de Informática de Investigación de Yale.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Yale . Original escrito por Jim Shelton. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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