Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Han duplicado la eficiencia de un combo químico que captura la luz y divide las moléculas de agua para que los bloques de construcción puedan usarse para producir combustible de hidrógeno. Su estudio, seleccionado como "Editores de la American Chemical Society""Elección" que aparecerá en la portada * de la Revista de Química Física C , proporciona una plataforma para desarrollar mejoras revolucionarias en la llamada fotosíntesis artificial, una imitación basada en laboratorio del proceso natural destinado a generar energía limpia a partir de la luz solar.
En la fotosíntesis natural, las plantas verdes usan la luz solar para transformar el agua H 2 O y dióxido de carbono CO 2 en carbohidratos como azúcar y almidones.La energía de la luz solar se almacena en los enlaces químicos que mantienen esas moléculas juntas.
Muchas estrategias de fotosíntesis artificial comienzan buscando formas de usar la luz para dividir el agua en sus componentes, hidrógeno y oxígeno, para que luego el hidrógeno pueda combinarse con otros elementos, idealmente el carbono del dióxido de carbono, para producir combustibles.incluso haciendo que los átomos de hidrógeno se recombinen como gas hidrógeno puro H 2 es un paso hacia la generación de combustible limpio con energía solar.
Para lograr la división del agua, los científicos han estado explorando una amplia gama de moléculas absorbentes de luz también llamadas cromóforos o tintes emparejadas con catalizadores químicos que pueden separar los muy fuertes enlaces de hidrógeno-oxígeno del agua. El nuevo enfoque utiliza "ataduras moleculares""- cadenas de carbono simples que tienen una alta afinidad entre sí - para unir el cromóforo al catalizador. Las correas mantienen las partículas lo suficientemente juntas como para transferir electrones del catalizador al cromóforo - un paso esencial para activar el catalizador- pero los mantiene lo suficientemente separados como para que los electrones no vuelvan al catalizador.
"Los electrones se mueven rápido, pero las reacciones químicas son mucho más lentas. Por lo tanto, para darle tiempo al sistema para que tenga lugar la reacción de división del agua sin que los electrones vuelvan al catalizador, debe separar esas cargas", explicó Brookhaven Labquímico Javier Concepción, quien dirigió el proyecto.
En la configuración completa, los cromóforos atados al catalizador están incrustados en una capa de nanopartículas en un electrodo. Cada nanopartícula está hecha de un núcleo de dióxido de estaño SnO2 rodeado por una cubierta de dióxido de titanio TiO2.los diferentes componentes proporcionan un transporte eficiente y gradual de electrones para seguir alejando las partículas cargadas negativamente del catalizador y enviarlas a donde se necesitan para producir combustible.
Así es como funciona de principio a fin: la luz incide en el cromóforo y le da a un electrón una sacudida suficiente para enviarlo desde el cromóforo a la superficie de la nanopartícula. Desde allí, el electrón se mueve hacia el núcleo de la nanopartícula, y luego saleel electrodo a través de un cable. Mientras tanto, el cromóforo, después de haber perdido un electrón, extrae un electrón del catalizador. Mientras haya luz, este proceso se repite, enviando electrones que fluyen del catalizador al cromóforo a la nanopartícula al cable.
Cada vez que el catalizador pierde cuatro electrones, se activa con una carga positiva lo suficientemente grande como para robar cuatro electrones de dos moléculas de agua. Eso separa el hidrógeno y el oxígeno. El oxígeno burbujea como un gas en la fotosíntesis natural, esto es¡cómo las plantas producen el oxígeno que respiramos! mientras que los átomos de hidrógeno ahora iones porque están cargados positivamente se difunden a través de una membrana a otro electrodo. ¡Allí se recombinan con los electrones transportados por el cable para producir hidrógeno gas - combustible!
Aprovechando la experiencia
El equipo de Brookhaven había probado una versión anterior de esta configuración de cromóforo-catalizador donde el tinte absorbente de luz y las partículas de catalizador estaban conectadas mucho más estrechamente con enlaces químicos directos en lugar de ataduras.
"Esto fue muy difícil de hacer, tomando muchos pasos de síntesis y purificación, y tomó varios meses hacer las moléculas", dijo Concepción. "Y el rendimiento no fue tan bueno al final".
En contraste, unir las cadenas de la cadena de carbono a ambas moléculas les permite autoensamblarse.
"Simplemente sumerge el electrodo recubierto con los cromóforos en una solución en la que se suspende el catalizador y las ataduras de los dos tipos de moléculas se encuentran y se unen", dijo Lei Wang, estudiante graduada de la Universidad de Stony Brook, coautora deel artículo actual y el autor principal en un artículo publicado a principios de este año que describe la estrategia de autoensamblaje.
El nuevo documento incluye datos que muestran que el sistema con conexiones atadas es considerablemente más estable que los componentes conectados directamente, y generó el doble de la cantidad de corriente: la cantidad de electrones que fluyen a través del sistema.
"Cuantos más electrones generes a partir de la luz que entra, más tendrás disponible para generar combustible de hidrógeno", dijo Concepción.
Los científicos también midieron la cantidad de oxígeno producido.
"Descubrimos que este sistema, que usa luz visible, es capaz de alcanzar eficiencias notables para la división del agua por luz", dijo Concepción.
Sin embargo, todavía hay margen de mejora, señaló. "Lo que hemos hecho hasta ahora funciona para producir hidrógeno. Pero nos gustaría pasar a la fabricación de combustibles de hidrocarburos de mayor valor". Ahora que tienen un sistema donde pueden fácilmenteintercambiar componentes y experimentar con otras variables, están configurados para explorar las posibilidades.
"Uno de los aspectos más importantes de esta configuración no es solo el rendimiento, sino la facilidad de montaje", dijo Concepción.
"Debido a que estas combinaciones de cromóforos y catalizadores son muy fáciles de hacer, y las correas nos dan mucho control sobre la distancia entre ellas, ahora podemos estudiar, por ejemplo, cuál es la distancia óptima. Y podemos hacer experimentos combinando"Los diferentes cromóforos y catalizadores sin tener que hacer una síntesis muy compleja para encontrar las mejores combinaciones", dijo. "La versatilidad de este enfoque nos permitirá hacer estudios fundamentales que no hubieran sido posibles sin este sistema".
Esta investigación fue financiada por la Oficina de Ciencia del DOE y se realizó en colaboración con científicos de la Alianza para el Diseño de Fotoelectrodos Moleculares para Combustibles Solares EFRC, un Centro de Investigación de la Frontera de Energía de la Oficina de Ciencia del DOE en la Universidad de Carolina del Norte, Chapel Hill.Los científicos de UNC proporcionaron las nanopartículas núcleo-cubierta. El diseño y la síntesis del sistema se realizaron en Brookhaven Lab; la UNC realizó estudios de cinética transitoria y fotoelectroquímica.
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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