Investigadores de la Universidad de Kyushu han desarrollado un portador de energía de hidrógeno para abordar algunos de los mayores obstáculos en el camino hacia una economía sostenible del hidrógeno. Como se explica en un artículo publicado en JACS Au , este novedoso compuesto puede "almacenar electrones" de manera eficiente a partir del hidrógeno en estado sólido para utilizarlos en reacciones químicas posteriores.
El hidrógeno es una fuente prometedora de energía limpia con muchas aplicaciones potenciales sin explotar en la industria y la vida cotidiana. A diferencia de los combustibles convencionales, el hidrógeno se puede utilizar para generar electricidad sin producir gases de efecto invernadero. También se puede utilizar en diversas reacciones químicas como la hidrogenación, es decir, como fuente de iones hidruro o electrones del átomo de hidrógeno.
Sin embargo, almacenar y transportar hidrógeno en estado gaseoso o líquido es un gran desafío y requiere equipos y sistemas de refrigeración costosos.
Profesor Seiji Ogo del Instituto Internacional WPI de Energía Neutra en Carbono de la Universidad de Kyushu (WPI-I 2 CNER) ha estado desarrollando soluciones innovadoras a estos problemas. En su estudio más reciente, Ogo y su colega de la Universidad de Kindai se inspiraron en la naturaleza para desarrollar un compuesto a base de iridio con propiedades peculiares y notablemente útiles.
"Hemos estado explorando activamente portadores de energía de hidrógeno que pueden sintetizarse y usarse fácilmente tal como están. Estos compuestos se basan en la enzima hidrogenasa que se encuentra en la naturaleza, que puede catalizar el hidrógeno en protones y electrones a temperatura ambiente", explica Ogo. "Una idea central de nuestro enfoque que condujo a un gran avance fue ver el hidrógeno no como una fuente de iones de hidruro o átomos de hidrógeno cargados negativamente, sino como electrones".
Después de examinar cuidadosamente muchas combinaciones de iones metálicos y ligandos orgánicos, el equipo de investigación creó un compuesto a base de iridio que, cuando se expone al hidrógeno, lo incorpora al centro metálico después de perder un ion yoduro. De esta manera, el compuesto propuesto puede extraer y almacenar eficazmente electrones del hidrógeno.
Estos cambios son fácilmente reversibles en las condiciones adecuadas y los electrones almacenados se pueden extraer y utilizar fácilmente en reacciones químicas para sintetizar moléculas valiosas. En este estudio, los investigadores se centraron en utilizar los electrones almacenados en el compuesto para catalizar reacciones de ciclopropanación.
Los ciclopropanos son moléculas con una estructura de anillo de carbono de tres miembros y representan unidades estructurales importantes en diversos fármacos y compuestos orgánicos. Sin embargo, las ciclopropanaciones convencionales han producido grandes cantidades de metales de desecho como subproductos. El portador de energía de hidrógeno propuesto evita este problema por completo.
"Las reacciones de ciclopropanación realizadas en nuestro estudio utilizan hidrógeno en lugar de metales como reductor y, por lo tanto, no producen residuos metálicos. Esta es una gran ventaja del compuesto propuesto sobre las técnicas establecidas", comenta Ogo.
En particular, este estudio también marca la primera vez que una reacción entre hidrógeno y alquenos (hidrocarburos que contienen un doble enlace de carbono) produce ciclopropanos en lugar de alcanos, mucho más simples.
Después de extensas pruebas, el equipo descubrió que el portador de energía propuesto puede capturar electrones del hidrógeno y almacenarlos durante más de tres meses en estado sólido a temperatura ambiente.
En trabajos futuros, Ogo y sus colegas planean centrarse en desarrollar un portador de energía similar utilizando elementos del grupo del hierro, que son más baratos y más abundantes que el iridio. Al promover las colaboraciones entre la industria y la academia, sus próximos esfuerzos tendrán como objetivo desarrollar soluciones escalables para los problemas prácticos que rodean las próximas economías del hidrógeno.
"Creemos sinceramente que el logro actual contribuirá a la realización de una sociedad neutra en carbono", concluye Ogo.
Más información: Seiji Ogo et al, Ciclopropanación utilizando electrones derivados del hidrógeno:reacción de alquenos e hidrógeno sin hidrogenación, JACS Au (2024). DOI:10.1021/jacsau.4c00098
Proporcionado por la Universidad de Kyushu
