Los procesos electroquímicos podrían usarse para convertir CO ₂ en materiales de partida útiles para la industria. Para optimizar los procesos, Los químicos están intentando calcular en detalle los costos de energía causados ​​por los distintos socios de reacción y pasos. Investigadores de Ruhr-Universität Bochum (RUB) y Sorbonne Université en París han descubierto cómo pequeñas moléculas hidrofóbicas, como CO ₂ , contribuir a los costos de energía de tales reacciones al analizar cómo interactúan las moléculas en el agua en la interfaz. El equipo describe los resultados en la revista. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , publicado en línea el 13 de abril de 2021.

Para realizar el trabajo, La Dra. Alessandra Serva y el Profesor Mathieu Salanne del Laboratoire PHENIX en la Université Sorbonne colaboraron con la Profesora Martina Havenith y la Dra. Simone Pezzotti de la Cátedra Bochum de Química Física II.

Papel crucial de las pequeñas moléculas hidrofóbicas

En muchos procesos electroquímicos, pequeñas moléculas hidrófobas reaccionan en las superficies del catalizador que a menudo consisten en metales preciosos. Tales reacciones a menudo tienen lugar en una solución acuosa, por lo que las moléculas de agua forman lo que se conoce como capas de hidratación alrededor de las otras moléculas:se acumulan alrededor de las otras moléculas. El agua que rodea al polar, es decir, las moléculas higroscópicas se comportan de manera diferente en comparación con el agua que rodea a las moléculas no polares, que también se denominan hidrófobos. El equipo de investigación franco-alemán estaba interesado en esta hidratación hidrofóbica.

Usando simulaciones de dinámica molecular, los investigadores analizaron la hidratación hidrofóbica de pequeñas moléculas como el dióxido de carbono (CO ₂ ) o nitrógeno (N2) en la interfaz entre el oro y el agua. Demostraron que la interacción de moléculas de agua en la vecindad de pequeñas moléculas hidrófobas hace una contribución crucial a los costos de energía de las reacciones electroquímicas.

Modelo de cálculo de costes energéticos ampliado

Los investigadores implementaron estos hallazgos en la teoría Lum-Chandler-Weeks. Esto permite calcular la energía necesaria para formar redes de agua. "Los costos de energía para la hidratación hidrofóbica se calcularon para la mayor parte en el modelo anterior. Este modelo ahora se ha expandido aquí a moléculas hidrofóbicas cerca de las interfaces. Este caso no se incluyó antes, "explica Martina Havenith, el portavoz del Ruhr explora el clúster de excelencia de solvatación, RESOLV para abreviar, en RUB. El modelo adaptado permite ahora calcular los costos de energía para la hidratación hidrofóbica en la interfaz entre el oro y el agua en función del tamaño de las moléculas hidrofóbicas. "Debido al aporte de agua, el tamaño de las moléculas juega un papel importante en las reacciones químicas en estas interfaces, "dice el Dr. Simone Pezzotti de la Cátedra Bochum de Química Física II.

Por ejemplo, el modelo predice que pequeñas moléculas hidrofóbicas tenderían a acumularse en la interfaz en función de las interacciones con el agua, mientras que las moléculas más grandes permanecerían más lejos en la solución.