Los investigadores han desarrollado varios sistemas moleculares para la transferencia de electrones fotoinducida (es decir, impulsada por la luz), incluidas supramoléculas, materiales híbridos y sistemas poliméricos orgánicos. Si bien estos sistemas cumplen con el criterio de distancia requerido por el donante y el aceptor de electrones para una transferencia eficiente de electrones, con frecuencia no logran acomodar el movimiento molecular, especialmente en ambientes fluidos. ¿Existe un enfoque viable para diseñar un sistema que facilite la transferencia de electrones sin sucumbir a estas limitaciones?
Esta cuestión ha sido abordada específicamente en un estudio reciente realizado por un equipo de investigadores del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST). Dirigido por el profesor asociado Kosuke Okeyoshi e incluido el profesor asociado Shun Nishimura y la estudiante de posgrado Reina Hagiwara, el equipo ha desarrollado ahora un sistema nanocatalítico conjugado con copolímero para mejorar la transferencia activa de electrones para aumentar la generación de hidrógeno fotoinducido.
Su estudio, publicado en Chemical Communications , tiene como objetivo superar las limitaciones de los actuales sistemas de transferencia de electrones fotoinducidos. El objetivo de los investigadores era establecer un sistema catalizador eficiente capaz de promover la transferencia de electrones con sólo un número mínimo de reacciones secundarias.
El Dr. Okeyoshi explica:"Este sistema tiene posibles aplicaciones en la vida real para la economía del hidrógeno. Al integrar el sistema con un sistema generador de oxígeno, se anticipa la división fotoinducida del agua (fotosíntesis artificial)".
En este sentido, el viológeno es una molécula bien conocida que es a la vez un eficiente donante y aceptor de electrones. Los investigadores habían explotado previamente esta propiedad del viologen para desarrollar un sistema de transferencia de electrones, que incluía el copolímero poli(N-isopropilacrilamida-co-Viologen) (PNV) y nanopartículas de platino modificadas (Pt NP).
En este sistema, la transición de fase dependiente de la temperatura en PNV responde a los cambios redox del viológeno, lo que permite un proceso cíclico de transferencia de electrones para la generación continua de hidrógeno. Sin embargo, mientras que los PNV cercanos a los NP de Pt participaron en el proceso de transferencia de electrones, las moléculas de PNV libres situadas más lejos también podrían aceptar electrones.
Para abordar este problema, los investigadores ahora han diseñado un sistema nanocatalítico conjugado con copolímero utilizando el copolímero aleatorio ternario poli (NIPAAm-co-Acrilamida-co-Viologen) o PNAV, que se sintetizó controlando con precisión el peso molecular y la relación de introducción del unidades poliméricas.
Una característica notable de PNAV es su comportamiento sensible a la temperatura, marcado por una transición de fase que depende de la temperatura. Este copolímero único exhibe un cambio discernible, oscilando entre un estado hinchado en su forma oxidada (PNAV 2+ ) y un estado encogido en su forma reducida (PNAV + ).
Además, la conexión de PNAV a Pt NP implica un proceso de reducción, proporcionando control sobre la distancia entre el viológeno y las Pt NP. Específicamente, la hinchazón/contracción precisa de PNAV en las NP de Pt resulta crucial para el éxito del proceso de transferencia cíclica de electrones propuesto a una distancia determinada.
La presente innovación aprovecha las ventajas de una cadena polimérica que responde a estímulos para lograr una transferencia dinámica de electrones. El sistema nanocatalítico conjugado con copolímero no sólo es prometedor para facilitar la transferencia activa de electrones en la generación de hidrógeno fotoinducida, sino que también demuestra una utilidad potencial en reacciones fotosintéticas artificiales, como la división del agua fotoinducida. Además, se prevé que este enfoque innovador tenga aplicaciones más amplias más allá de las reacciones fotoquímicas para abarcar varios dominios, incluidas las reacciones electroquímicas y el reconocimiento macromolecular.
El proceso sostenible de transferencia cíclica de electrones permitido por esta tecnología presenta oportunidades para avances en diversas disciplinas científicas. "Las implicaciones a largo plazo incluyen la promoción de una sociedad energética del hidrógeno impulsada por la luz solar y la fabricación de materiales blandos bioinspirados como productos", concluye el Dr. Okeyoshi.
Más información: Reina Hagiwara et al, Diseño preciso de nanocatalizadores conjugados con copolímeros para la transferencia activa de electrones, Comunicaciones químicas (2023). DOI:10.1039/D3CC05242G
Información de la revista: Comunicaciones químicas
Proporcionado por el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón
