La forma en que un compuesto inspirado en la naturaleza produce hidrógeno ha sido descrita en detalle por primera vez por un equipo de investigación internacional de la Universidad de Jena. Alemania y la Universidad de Milán-Bicocca, Italia. Estos hallazgos son la base para la producción de hidrógeno energéticamente eficiente como fuente de energía sostenible.

La naturaleza como modelo

Hay microorganismos naturales que producen hidrógeno, utilizando enzimas especiales llamadas hidrogenasas. "Lo especial de las hidrogenasas es que generan hidrógeno catalíticamente. A diferencia de la electrólisis, que generalmente se lleva a cabo industrialmente utilizando un costoso catalizador de platino, los microorganismos utilizan compuestos de hierro organometálicos, "explica el profesor Wolfgang Weigand del Instituto de Química Inorgánica y Analítica de la Universidad de Jena en Alemania." Como fuente de energía, el hidrógeno es, naturalmente, de gran interés. Por eso queremos entender exactamente cómo se lleva a cabo este proceso catalítico, " él añade.

En el pasado, Ya se han producido numerosos compuestos en todo el mundo que se modelan químicamente a partir de las hidrogenasas naturales. En cooperación con la Universidad de Milán, Weigand y su equipo en Jena ahora han producido un compuesto que ha aportado conocimientos completamente nuevos sobre el proceso de catálisis.

"Como en la naturaleza, nuestro modelo se basa en una molécula que contiene dos átomos de hierro. Comparado con la forma natural, sin embargo, cambiamos el entorno químico del hierro de una manera específica. Para ser preciso, una amina fue reemplazada por un óxido de fosfina con propiedades químicas similares. Por lo tanto, pusimos en juego el elemento fósforo ".

Información detallada sobre la producción de hidrógeno electrocatalítico

Esto permitió a Weigand y su equipo comprender mejor el proceso de formación de hidrógeno. El agua está compuesta de protones cargados positivamente e iones hidróxido cargados negativamente.

"Nuestro objetivo era comprender cómo estos protones forman hidrógeno. Sin embargo, el donante de protones en nuestros experimentos no era agua, pero un ácido, "Dice Weigand." Observamos que el protón del ácido se transfiere al óxido de fosfina de nuestro compuesto seguido de una liberación de protón a uno de los átomos de hierro. Un proceso similar también se encontraría en la variante natural de la molécula, ", añade. Para equilibrar la carga positiva del protón y, en última instancia, producir hidrógeno, Los electrones cargados negativamente se introdujeron en forma de corriente eléctrica. Con la ayuda del software de simulación y voltamperometría cíclica desarrollado en la Universidad de Jena, Se examinaron los pasos individuales en los que estos protones finalmente se redujeron a hidrógeno libre.

"Durante el experimento, de hecho, pudimos ver cómo el gas hidrógeno se elevaba de la solución en pequeñas burbujas, "señala Weigand." Los datos de medición experimental de la voltamperometría cíclica y los resultados de la simulación fueron luego utilizados por el equipo de investigación en Milán para cálculos de química cuántica. ", añade Weigand." Esto nos permitió proponer un mecanismo plausible de cómo procede químicamente toda la reacción para producir el hidrógeno, y esto para cada paso individual de la reacción. Esto nunca antes se había hecho con este nivel de precisión. "El grupo publicó los resultados y la vía de reacción propuesta en la reconocida revista". Catálisis ACS ".

El objetivo:hidrógeno a través de la energía solar

Sobre la base de estos hallazgos, Weigand y su equipo ahora quieren desarrollar nuevos compuestos que no solo puedan producir hidrógeno de una manera energéticamente eficiente, pero también utilizan fuentes de energía sostenibles para hacerlo.

"El objetivo del Centro Colaborativo de Investigación Transregio 234 'CataLight', del cual esta investigación es parte, es la producción de hidrógeno mediante la división del agua con el uso de la luz solar, "Explica Weigand." Con el conocimiento obtenido de nuestra investigación, ahora estamos trabajando en el diseño e investigación de nuevos catalizadores basados ​​en las hidrogenasas, que en última instancia se activan utilizando energía luminosa ".