El hidrógeno es el elemento más abundante del universo. La molécula de dihidrógeno, con un enlace H-H, es uno de los más simples y flexibles en química. Escindir un enlace de dihidrógeno para producir o almacenar energía requiere diseñar el catalizador con el equilibrio perfecto de propiedades para lograr la reactividad deseada. Además, la capacidad de lograr que esa molécula se vuelva a ensamblar y de controlar la velocidad de ensamblaje y desensamblaje es importante en la producción de combustibles limpios. Morris Bullock y sus colegas del Pacific Northwest National Laboratory lograron controlar la tasa de escisión y reensamblaje de una molécula de dihidrógeno.

En la búsqueda continua de la producción de combustibles limpios, Los científicos han estado investigando formas sencillas de escindir heterolíticamente la molécula de hidrógeno en dos productos desiguales. Comprender las propiedades de la escisión del enlace dihidrógeno heterolítico y controlar la ubicación y la energía del protón resultante y el hidruro cargado negativamente es importante para el diseño de nuevos catalizadores para celdas de combustible y otras fuentes de energía limpia.

El enlace de dihidrógeno es el más simple en química, pero ofrece una flexibilidad en cómo se rompe el enlace. Puede romperse de dos formas diferentes, homolítica o heterolíticamente, en dos fragmentos idénticos o dos fragmentos cargados diferentes, un protón y un hidruro. La escisión heterolítica es la ruptura del par de electrones de enlace en dos productos desiguales. Este es un proceso común en el uso de hidrógeno en pilas de combustible y en procesos biológicos que ocurren en la naturaleza en los que las enzimas oxidan el hidrógeno. La escisión heterolítica inversa es el proceso de tomar estos fragmentos desiguales y reconstruirlos a su estructura original; es decir, combinando el protón y el hidruro y creando dihidrógeno.

Antes de este estudio, Bullock y sus colegas investigaron cómo se rompen los enlaces de dihidrógeno y se reforman en una molécula de dihidrógeno. "Lo que estamos tratando de hacer es encontrar las características electrónicas adecuadas para que la energía necesaria para la división sea baja, "dice Bullock, un científico de catálisis.

Diseñar esta molécula es un acto de equilibrio. Las iteraciones anteriores de estas moléculas se unieron con demasiada fuerza al catalizador después de la escisión o eran demasiado débiles para unirse al catalizador. En respuesta, Los científicos de PNNL crearon una serie de catalizadores a base de molibdeno, para lo cual la tasa de escisión y reensamblaje de H-H podría variarse sistemáticamente.

Además, Bullock y sus colegas demostraron que existe un mecanismo para controlar la tasa de escisión heterolítica reversible. Usando espectroscopia de resonancia magnética nuclear en PNNL, observaron la reacción a medida que se producía. Más lejos, controlaron la tasa de escisión cambiando sistemáticamente las características electrónicas de los complejos metálicos. Algunos de estos enlaces se escinden y se vuelven a ensamblar cerca de 10 millones de veces por segundo a temperatura ambiente. Al cambiar la acidez de estos complejos, la tasa de escisión heterolítica reversible se puede cambiar en un factor de 10, 000.

Comprender las propiedades termodinámicas y cinéticas de la escisión del enlace dihidrógeno heterolítico y controlar la transferencia del protón y el hidruro son de importancia crítica para el diseño de nuevos catalizadores. El siguiente paso es determinar cómo lograr la escisión de los enlaces H-H y controlar la entrega de protones e hidruros después de que se rompe el enlace H-H.