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Catalysis

Eliminar intermediarios mejora la producción de hidrógeno de combustión limpia

Conectar electrónicamente el catalizador al electrodo simplifica las reacciones electroquímicas

by Mitch Jacoby
September 2, 2019 | APPEARED IN VOLUME 97, ISSUE 34

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Credit: JACS
La conjugación de un complejo metálico catalítico (M = átomo metálico) con un electrodo de grafito permite la transferencia de electrones y la activación del reactivo sin intermediarios redox.

Vinculando electrónicamente una molécula catalítica a un electrodo de grafito, un equipo de investigadores ha encontrado una forma general de fabricar mejores catalizadores para las reacciones electroquímicas. Este avance, presentado en la reunión nacional de la American Chemical Society en San Diego el pasado lunes, puede conducir a nuevas estrategias en el diseño de catalizadores que medien en la división del agua para generar hidrógeno de combustión limpia.

Los electrocatalizadores son fundamentales para llevar a cabo reacciones como la división del agua de una forma rápida y eficiente. Con el catalizador adecuado, los investigadores pueden utilizar electricidad para dividir el agua en oxígeno gas e hidrógeno de combustión limpia. El mediador sirve como un intermediario molecular, llevando energía eléctrica del electrodo a la molécula reactiva y dirigiendo la transformación del reactivo a través de una serie de pasos.

Durante años, los investigadores se han centrado en encontrar el mediador adecuado para la división del agua y otras reacciones electroquímicas. Se han encontrado algunos muy activos, pero presentan desventajas: para hacer su trabajo, el mediador primero se somete a un cambio redox y luego impulsa la reacción catalítica. Este funcionamiento escalonado impide la reacción catalítica, puesto que deben satisfacerse las “necesidades” del mediador. Por ejemplo, la reacción debe ejecutarse a voltajes y corrientes que se adapten al mediador, no solo al reactivo. Y la reacción no continuará hasta que el mediador forme un intermediario redox de alta energía.

Yogesh Surendranath, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), dedujo que mediante la unión química de un mediador a una hoja de anillos conjugados de seis miembros en un electrodo de grafito—a efectos prácticos, haciendo que el electrodo y el mediador sean una sola entidad molecular conjugada—se pasaría por alto la disposición del intermediario y las limitaciones que lo acompañan.

En la reunión, Surendranath informó que miembros de su grupo, incluyendo a Megan N. Jackson, habían hecho funcionar esta estrategia. Conjugaron sintéticamente un catalizador para la separación de agua, un complejo de organorradio, con un electrodo de grafito. Este complejo impulsa la reacción de evolución del hidrógeno (HER, por sus siglas en inglés), que combina protones y electrones para formar hidrógeno molecular.

En un simposio organizado por la División de Química Inorgánica, Surendranath describió la investigación de su grupo. Llevaron a cabo pruebas de control comparando el complejo de rodio con formas de grafito conjugadas y no conjugadas. Los resultados de la espectroscopia del grupo indican que mientras que en los controles la reacción ocurre a través de un camino escalonado que involucra intermediarios redox, el catalizador conjugado facilita una ruta directa (J. Amer. Chem. Soc. 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b04981).

Describiendo esta estrategia de conjugación como “creativa”, Jillian L. Dempsey de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill comentó que, al evitar las complejas vías redox, los investigadores han encontrado un nuevo enfoque para HER. También espera, añadió, que este enfoque pueda tener aplicaciones en la fabricación de otros catalizadores más eficientes para la formación de combustible.

El equipo proporcionó una completa demostración de la singular manera en la que funciona un electrocatalizador molecular cuando está ligado mediante conjugación a la estructura de la banda electrónica del electrodo, comentó Jeff Warren, especialista en catálisis de la Universidad Simon Fraser. “Este trabajo es un avance importante con amplias implicaciones en el diseño de catalizadores”, concluyó.

Traducido al español por César Palmero para C&EN. La versión original (en inglés) de este artículo está disponible aquí.

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