Una de las reacciones químicas más fundamentales que tiene lugar en los sistemas de conversión de energía, incluidos los catalizadores, baterías de flujo, supercondensadores de almacenamiento de energía de alta capacidad, y sistemas para fabricar combustibles utilizando energía solar, ahora se ha analizado en detalle. Los resultados podrían informar el desarrollo de nuevos materiales de electrodo o catalizador con propiedades ajustadas con precisión para coincidir con los niveles de energía necesarios para sus funciones.

Los hallazgos se describen hoy en la revista. Ciencia Central ACS , en un artículo de la estudiante graduada del MIT Megan Jackson, postdoctorado Michael Pegis, y el profesor de química Yogesh Surendranath.

Prácticamente todas las reacciones de conversión de energía involucran protones y electrones que reaccionan entre sí, y en los dispositivos funcionales, estas reacciones suelen tener lugar en la superficie de un sólido, como un electrodo de batería. Hasta ahora, Surendranath dice:"No hemos tenido una comprensión fundamental muy buena de lo que gobierna la termodinámica de electrones y protones que se unen en un electrodo. No entendemos esa termodinámica a nivel molecular, "y sin ese conocimiento, La selección de materiales para los dispositivos de energía se reduce en gran medida a prueba y error.

Se ha dedicado mucha investigación a comprender las reacciones electrón-protón en moléculas, él dice. En esos casos, la cantidad de energía necesaria para unir un protón a la molécula, un factor llamado pKa, se puede distinguir de la energía necesaria para unir un electrón a esa molécula, llamado potencial de reducción.

Conocer esos dos números para una molécula dada permite predecir y posteriormente ajustar la reactividad. Pero cuando las reacciones tienen lugar en la superficie de un electrodo, no ha habido forma de separar los dos factores diferentes, porque la transferencia de protones y la transferencia de electrones ocurren simultáneamente.

Un nuevo marco

Sobre una superficie metálica, los electrones pueden fluir tan libremente que cada vez que un protón se une a la superficie, entra un electrón y se une a él instantáneamente. "Así que es muy difícil determinar cuánta energía se necesita para transferir solo el electrón y cuánta energía se necesita para transferir solo el protón, porque hacer uno lleva al otro, "Dice Surendranath.

"Si supiéramos cómo dividir la energía en un término de transferencia de protones y un término de transferencia de electrones, nos guiaría en el diseño de un nuevo catalizador o una nueva batería o una nueva celda de combustible en la que esas reacciones deben ocurrir en los niveles de energía adecuados para almacenar o liberar energía con la eficiencia óptima ". La razón por la que nadie tenía este conocimiento antes, él dice, fue porque históricamente ha sido casi imposible controlar los sitios de la superficie de los electrodos con precisión molecular. Incluso estimar un pKa para el sitio de la superficie para tratar de obtener la energía asociada con la transferencia de protones primero requiere un conocimiento del sitio a nivel molecular.

Un nuevo enfoque hace posible este tipo de comprensión a nivel molecular. Usando un método que llaman "conjugación de grafito, “Surendranath y su equipo incorporan moléculas elegidas específicamente que pueden donar y aceptar protones en electrodos de grafito de modo que las moléculas se conviertan en parte de los electrodos.

Al conjugar electrónicamente las moléculas seleccionadas a electrodos de grafito, "tenemos el poder de diseñar sitios de superficie con precisión molecular, ", Dice Jackson." Sabemos dónde se une el protón a la superficie a nivel molecular, y conocemos la energía asociada con la reacción de transferencia de protones en ese sitio ".

Al conjugar moléculas con una amplia gama de valores de pKa y medir experimentalmente las energías correspondientes para la transferencia de electrones acoplados a protones en los sitios conjugados con grafito, pudieron construir un marco que describe toda la reacción.

Dos palancas de diseño

"Lo que hemos desarrollado aquí es un modelo a nivel molecular que nos permite dividir la termodinámica general de transferir simultáneamente un electrón y un protón a la superficie de un electrodo en dos componentes separados:uno para protones y otro para electrones, ", Dice Jackson. Este modelo refleja fielmente los modelos utilizados para describir esta clase de reacciones en moléculas, y, por lo tanto, debería permitir a los investigadores diseñar mejor electrocatalizadores y materiales de batería utilizando principios simples de diseño molecular.

"Lo que esto nos enseña, "Surendranath dice, "es que si queremos diseñar un sitio de superficie que pueda transferir y aceptar protones y electrones a la energía óptima, hay dos palancas de diseño que podemos controlar. Podemos controlar los sitios en la superficie y su afinidad local por el protón, ese es su pKa. Y también podemos sintonizarlo cambiando la energía intrínseca de los electrones en el sólido, "que se correlaciona con un factor llamado función de trabajo.

Eso significa, según Surendranath, que "ahora tenemos un marco general para comprender y diseñar reacciones de transferencia de electrones acopladas a protones en las superficies de los electrodos, utilizando la intuición que tienen los químicos sobre qué tipos de sitios son muy básicos o ácidos, y qué tipos de materiales son muy oxidantes o reductores ". En otras palabras, ahora proporciona a los investigadores "principios de diseño sistemático, "que puede ayudar a guiar la selección de materiales de electrodos para reacciones de conversión de energía.

Los nuevos conocimientos se pueden aplicar a muchos materiales de electrodos, él dice, incluyendo óxidos metálicos en supercondensadores, catalizadores involucrados en la producción de hidrógeno o reducción de dióxido de carbono, y los electrodos que operan en pilas de combustible, porque todos esos procesos implican la transferencia de electrones y protones en la superficie del electrodo.

Las reacciones de transferencia electrón-protón son omnipresentes en prácticamente todas las reacciones catalíticas electroquímicas, dice Surendranath, "por lo que saber cómo ocurren en una superficie es el primer paso para poder diseñar materiales catalíticos con un conocimiento a nivel molecular. Y ahora, Afortunadamente, capaz de cruzar ese hito ".

Este trabajo "es verdaderamente innovador, "dice James Mayer, profesor de química en la Universidad de Yale, que no estuvo involucrado en este trabajo. "La interconversión de energía química y eléctrica (electrocatálisis) es una parte fundamental de muchos escenarios nuevos para la energía renovable. Esto a menudo se logra con metales raros costosos como el platino. Este trabajo muestra, de una manera inesperada, un nuevo comportamiento de los electrodos de carbono relativamente simples. Esto abre oportunidades para nuevas formas de pensar y, finalmente, nuevas tecnologías para la conversión de energía ".

Jeff Warren, profesor asistente de química en la Universidad Simon Fraser en Burnaby, Columbia Británica, que no estuvo asociado con esta investigación, dice que este trabajo proporciona un puente importante entre una extensa investigación sobre tales reacciones protón-electrón en moléculas, y la falta de tal investigación para reacciones en superficies sólidas.

"Esto crea una brecha de conocimiento fundamental con la que los trabajadores en el campo (incluido yo mismo) hemos estado lidiando durante al menos una década, ", dice." Este trabajo aborda este problema de una manera verdaderamente satisfactoria. Anticipo que las ideas descritas en este manuscrito impulsarán el pensamiento en el campo durante bastante tiempo y construirán puentes cruciales entre los investigadores fundamentales y de ingeniería aplicada ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.