Los químicos de Argonne Dugan Hayes, Lin Chen, y Ryan Hadt han identificado un proceso electrónico rápido que podría ayudar a la reacción de separación del agua en catalizadores que contienen cobalto. Los catalizadores de cobalto son relativamente económicos y podrían reemplazar a los catalizadores de metales preciosos más costosos en la producción de energía limpia. más notablemente los combustibles solares. Crédito:Laboratorio Nacional Argonne
Al dividir una molécula de agua en dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, los científicos pueden utilizar la energía ilimitada del sol para producir un combustible limpio. En un nuevo estudio del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y la Universidad de Harvard, Los científicos han podido ver por primera vez un paso especialmente importante en el proceso de división del agua, lo que puede acercarnos a una energía solar abundante 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 adecuadas, puede servir de escolta a un baile electrónico entre hidrógenos y oxígenos.
"Esencialmente, te permite tener una instantánea enfocada, en lugar de solo ver un borrón químico. Es importante que determinemos las características del catalizador en la escala de tiempo en que se mueven los electrones ".
"Los catalizadores de cobalto que generan oxígeno son los componentes activos en tecnologías como hojas artificiales y otros materiales en los que se puede recolectar luz para impulsar la síntesis de combustibles solares, "dijo el investigador postdoctoral de Argonne Ryan Hadt, co-primer autor 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, lo que requiere la transferencia de cuatro protones y cuatro electrones y eventualmente da como resultado la formación de un enlace oxígeno-oxígeno. Para este proceso, los oxígenos necesitan una pareja 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 ocurren en un instante:todo el proceso toma menos de una milmillonésima de segundo. Para comprender los matices de la acción de vinculación, los investigadores necesitaban realizar mediciones de espectroscopia de absorción de rayos X en la fuente de fotones avanzada de Argonne.
En su análisis, los investigadores se centraron en un giro químico particularmente intrigante. Al inicio del proceso, un puente de dos átomos de oxígeno conecta dos iones de cobalto. Cada uno de los iones de cobalto, Sucesivamente, está conectado a su propia molécula de agua. En 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 denominan "estado de oxidación". En el caso del cobalto, el estado de oxidación cambia, solo por un instante, de tres 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 los iones de oxígeno.
El momento clave sigue inmediatamente después, cuando los centros de cobalto reciben cada uno un electrón extra de los átomos de oxígeno recién expuestos. Cuando esto pasa, se forma un enlace entre los dos oxígenos, creando una etapa intermedia molecular llamada peróxido, que se puede oxidar rápidamente para liberar una molécula de dioxígeno. Los electrones obtenidos del agua durante este proceso se pueden utilizar para fabricar combustibles solares.
Al utilizar la fuente de fotones avanzada, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, los investigadores pudieron medir directamente los estados de oxidación del cobalto y luego usar la teoría para calcular una cantidad conocida como "acoplamiento de intercambio, "un valor de la mecánica cuántica que identifica la relación entre los espines de los electrones que se transportan entre los átomos de oxígeno y de cobalto. Los investigadores encontraron que estos espines de electrones están en direcciones opuestas, en el lenguaje científico, están acoplados antiferromagnéticamente.
"El antiferromagnetismo juega un papel importante en la formación del enlace oxígeno-oxígeno, "dijo Hadt, "ya que proporciona una forma 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 de fotones avanzada para resolver la ubicación de los átomos de cobalto extra-oxidados. "Esencialmente, te permite tener una instantánea enfocada, en lugar de solo ver un borrón químico, ", dijo." Es importante que determinemos las características del catalizador en la escala de tiempo en que se mueven los electrones ".
Un artículo basado en la investigación, "Caracterización in situ de centros cofaciales Co (IV) en Co 4 O 4 cubano:Modelado del sitio activo de alta valencia en catalizadores que desprenden oxígeno, "apareció en la edición del 27 de marzo de la procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .
