Durante años, los científicos han estado tratando de emular la fotosíntesis, el proceso mediante el cual las plantas, las algas y algunas bacterias aprovechan la luz del sol para transformar químicamente el agua y el dióxido de carbono en energía que se almacena para su uso posterior. Una versión artificial de la fotosíntesispodría proporcionar una fuente de energía limpia y renovable para ayudar a satisfacer las crecientes demandas de la sociedad. Para que la fotosíntesis artificial se convierta en una alternativa viable a los combustibles fósiles, la eficiencia y la velocidad de la oxidación del agua, la reacción que convierte el agua en gas oxígeno, iones de hidrógeno yelectrones: es uno de los procesos que deben mejorarse.
Ahora, un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU., La Universidad Adam Mickiewicz y el Colegio Baruch, Universidad de la Ciudad de Nueva York, ha sintetizado dos nuevos catalizadores moleculares para la oxidación del agua. Los catalizadores: complejos de rutenio rodeadosmediante la unión de moléculas ligandos que contienen grupos fosfonato - acelere la formación del enlace oxígeno-oxígeno, generalmente el paso más lento y de mayor consumo de energía de la oxidación del agua. Estudios iniciales, descritos en un artículo publicado el 11 de mayo en Edición internacional Angewandte Chemie demostró que estos complejos de rutenio podrían ofrecer una vía de baja energía para una oxidación del agua más rápida.
"El almacenamiento de energía solar como combustible de hidrógeno o combustibles a base de carbono como el metanol requiere catalizadores que puedan oxidar el agua a altas velocidades, con alta eficiencia y durante largos períodos de tiempo", dijo Javier Concepción, autor del artículo y químicoen el grupo de fotosíntesis artificial en Brookhaven Lab. "Nuestros complejos de rutenio catalizan la formación de enlaces oxígeno-oxígeno más rápido que cualquier otro catalizador conocido, generando cientos de moléculas de oxígeno por molécula de catalizador por segundo. Con estos catalizadores, el potencial eléctrico requerido para iniciar ella reacción es aproximadamente 10 veces menor que la de una batería AA "
Formando el enlace oxígeno-oxígeno
En la oxidación del agua, cuatro protones y cuatro electrones, necesarios en una reacción posterior para convertir el dióxido de carbono en energía utilizable, se eliminan de dos moléculas de agua y se forma un enlace oxígeno-oxígeno. Para que se produzca la oxidación del agua, ellos enlaces entre los átomos de hidrógeno y oxígeno en las dos moléculas de agua deben romperse. En el caso de la fotosíntesis artificial, un catalizador químico desencadena esta ruptura molecular.
"El agua es una molécula muy estable, por lo que hacer que dos moléculas de agua reaccionen entre sí es muy difícil", explicó el primer autor Yan Xie, candidato a doctorado en la Universidad Stony Brook y asistente de investigación en el grupo de fotosíntesis artificial de Brookhaven ".los complejos de rutenio proporcionan la reactividad necesaria para romper esos enlaces "
El documento describe detalles de la serie de pasos a través de los cuales el catalizador inicia y completa la reacción. En resumen, una de las moléculas de agua se une al complejo de rutenio y pierde protones a medida que el complejo se oxida pierde electrones, lo que resulta en ungrupo rutenio-oxo deficiente en electrones. Luego, con la ayuda de un grupo fosfonato, la otra molécula de agua reacciona con este rutenio-oxo altamente reactivo para liberar oxígeno molecular O2.
"El grupo fosfonato acepta protones, o iones de hidrógeno, del agua", dijo el coautor David Shaffer, investigador asociado del Departamento de Química de Brookhaven. "Está ubicado cerca del sitio activo del complejo de rutenio donde se produce la oxidación del agua. Incorporando el fosfonato"grupo y rutenio en un solo complejo hace que sea fácil para la molécula de agua encontrar ese sitio y reaccionar. "Finalmente, los protones se transfieren del grupo fosfonato a la solución circundante".
Estudio de la electroquímica de los complejos de rutenio
Para determinar la eficiencia y la tasa de oxidación del agua con los catalizadores de rutenio, el equipo estudió la electroquímica de cada estado de oxidación aplicando diferentes voltajes y midiendo la cantidad de corriente que fluye a través del sistema a varios valores de pH la concentración de protones en elsolución.
"El voltaje en el que comienza la catálisis le informa sobre la eficiencia energética de la oxidación del agua, mientras que la corriente le dice qué tan rápido está ocurriendo la oxidación del agua", explicó Concepción. "Nuestros complejos de rutenio minimizan la cantidad de energía perdida como calor, tanto entérminos del voltaje y la tasa que se requeriría para que el catalizador, si se incorpora a un dispositivo, haga uso de toda la luz solar entrante ".
El equipo también usó modelos computacionales para estudiar los parámetros de activación la energía y el orden molecular necesarios para romper y hacer enlaces durante la reacción clave entre la molécula de agua y el grupo rutenio-oxo.
Los estudios computacionales mostraron por qué el grupo fosfonato resultó en una catálisis más rápida. "El fosfonato es un buen aceptor de protones, por lo que favorece enérgicamente la reacción. Debido a que es parte del ligando, ya está posicionado y listo para interactuar con el agua, eliminandola necesidad de una disposición más ordenada de las moléculas ", dijo Concepción.
A partir de estudios separados, los científicos pudieron decir que uno de los pasos de oxidación, no el paso de formación de enlaces oxígeno-oxígeno, era limitar la velocidad de la catálisis. El equipo ahora está desarrollando catalizadores de segunda generación para optimizar estopaso.
Eventualmente, esperan hacer catalizadores igualmente reactivos utilizando metales como el hierro y el cobalto que son más abundantes y menos costosos que el rutenio, pero cuyas químicas son mucho más complicadas.
"Al incorporar estos catalizadores en sistemas capaces de absorber la luz solar y combinarlos con catalizadores que reducen el dióxido de carbono o el agua en combustibles, la fotosíntesis artificial podría convertirse en un enfoque práctico para almacenar energía solar como combustibles", 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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