La búsqueda de enfoques sostenibles para generar nuevos combustibles ha devuelto a los científicos a uno de los materiales más abundantes en la Tierra:el óxido de hierro rojizo en forma de hematita. también conocido como óxido.

Los investigadores dicen que el óxido se ha visto durante mucho tiempo como un material potencialmente atractivo para la división del agua solar, un proceso clave que emplean las plantas en la fotosíntesis. Las plantas usan una enzima llamada fotosistema II (PSII) para absorber la luz y dividir el agua, extrayendo electrones y protones de las moléculas de agua y generando el oxígeno atmosférico que sustenta la vida en la Tierra.

El óxido puede ofrecer una forma de imitar el aspecto de la fotosíntesis de división del agua solar, permitir que se genere combustible a partir del agua, ya sea combinando protones y electrones para la generación de hidrógeno, o utilizando electrones y protones para convertir el dióxido de carbono en combustibles de hidrocarburos. El problema, los científicos dicen, es que el desempeño del óxido en numerosos experimentos de división del agua ha sido decepcionante en comparación con su potencial teórico. Dicen que falta una comprensión fundamental del mecanismo de reacción, impidiendo el desarrollo de dispositivos para la división directa del agua solar.

Un nuevo estudio de Victor Batista en la Universidad de Yale en colaboración con James Durrant del Imperial College, Londres, y Michael Grätzel del Institut des Sciences et Ingénierie Chimiques, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausana, Suiza, ofrece algunas respuestas.

El estudio arroja luz sobre el mecanismo de oxidación del agua que se produce en la interfase óxido metálico / agua. Un estudio computacional y experimental combinado sobre el mecanismo de oxidación del agua encontró que si cambia la intensidad de la luz, también cambia el mecanismo de división del agua en la hematita. Los investigadores dicen que esto proporciona pistas valiosas sobre la naturaleza de los sitios responsables de la reactividad en la superficie del óxido.

Trabajo computacional realizado por el coautor del estudio Ke Yang, investigador postdoctoral en el grupo Batista, identificó sitios catalíticos aislados, con poca intensidad de luz y un átomo de dos, Núcleo catalítico de Fe (OH) -O-Fe (OH):que genera suficiente poder de oxidación para extraer electrones del agua mediante la acumulación de hasta tres equivalentes de oxidación (electrones faltantes) en condiciones de funcionamiento de 1 sol (la intensidad total de la luz solar en un claro, día brillante). Este mecanismo imita la activación de PSII durante la fotosíntesis, dijeron los investigadores.

El estudio aparece en la revista Química de la naturaleza .

"La integración del trabajo computacional y experimental ha sido esencial para dilucidar la naturaleza de los sitios catalíticos en superficies de óxidos metálicos bastante complicadas y la dependencia del mecanismo de reacción en condiciones de baja y alta intensidad de luz, "dijo Batista.

En 2018, Batista fue coautor de un estudio separado que describió similares, catalizadores de dos átomos. Los investigadores dijeron que el hallazgo, junto con el nuevo estudio, sugiere que los núcleos catalíticos de dos átomos con dos centros metálicos adyacentes podrían ser particularmente adecuados para lograr una división del agua eficiente.

"La producción de oxígeno a partir del agua requiere múltiples oxidaciones, "Dijo Durrant." Experimentalmente, La clave de nuestro estudio ha sido el uso de espectroscopía de absorción óptica para medir cómo cambia la cinética de oxidación del agua a medida que acumulamos más agujeros en la superficie de la hematita. Esto nos ha permitido determinar las leyes de velocidad y las constantes de velocidad para la reacción; por ejemplo, determinar cuántos orificios deben unirse para acceder al paso de limitación de velocidad de la reacción, y determinar la energía de activación para la reacción ".