El papel de las moléculas hidrofóbicas en las reacciones catalíticas
La optimización de los procesos electroquímicos es uno de los retos del desarrollo de tecnologías para las energías renovables. Los nuevos descubrimientos de la investigación podrían servir de ayuda en este sentido.
Los procesos electroquímicos podrían utilizarse para convertirel CO2 en materiales de partida útiles para la industria. Para optimizar los procesos, los químicos intentan calcular con detalle los costes energéticos que provocan los distintos socios y pasos de la reacción. Investigadores de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) y de la Universidad de la Sorbona de París han descubierto cómo las pequeñas moléculas hidrofóbicas, comoel CO2, contribuyen a los costes energéticos de dichas reacciones analizando cómo interactúan las moléculas en el agua en la interfase.
Las moléculas de agua pueden parecer insignificantes a primera vista, pero tienen una gran influencia en las reacciones químicas. El equipo franco-alemán investiga lo que ocurre en la interfaz entre el agua y el oro.
© Elmar Weiler
Para llevar a cabo el trabajo, la Dra. Alessandra Serva y el profesor Mathieu Salanne del Laboratorio PHENIX de la Universidad de la Sorbona colaboraron con la profesora Martina Havenith y el Dr. Simone Pezzotti de la Cátedra de Química Física II de Bochum.
Papel crucial de las pequeñas moléculas hidrofóbicas
En muchos procesos electroquímicos, las pequeñas moléculas hidrofóbicas reaccionan en las superficies de los catalizadores, que suelen estar formados por metales preciosos. Estas reacciones suelen tener lugar en una solución acuosa, en la que las moléculas de agua forman lo que se conoce como cáscaras de hidratación alrededor de las otras moléculas: se acumulan alrededor de las otras moléculas. El agua que rodea a las moléculas polares, es decir, higroscópicas, se comporta de forma diferente a la que rodea a las moléculas no polares, también denominadas hidrofóbicas. El equipo de investigación franco-alemán se interesó por esta hidratación hidrofóbica.
Mediante simulaciones de dinámica molecular, los investigadores analizaron la hidratación hidrofóbica de pequeñas moléculas como el dióxido de carbono (CO2) o el nitrógeno (N2) en la interfaz entre el oro y el agua. Demostraron que la interacción de las moléculas de agua en las proximidades de las pequeñas moléculas hidrofóbicas contribuye de forma crucial a los costes energéticos de las reacciones electroquímicas.
Se amplía el modelo de cálculo de los costes energéticos
Los investigadores implementaron estos hallazgos en la teoría Lum-Chandler-Weeks. Esto permite calcular la energía necesaria para formar redes de agua. "Los costes energéticos de la hidratación hidrofóbica se calcularon para la masa en el modelo anterior. Ahora, este modelo se ha ampliado a las moléculas hidrofóbicas cercanas a las interfaces. Este caso no se había incluido antes", explica Martina Havenith, portavoz del Ruhr Explores Solvation Cluster of Excellence, RESOLV para abreviar, en la RUB. El modelo adaptado permite ahora calcular los costes energéticos de la hidratación hidrofóbica en la interfaz entre el oro y el agua en función del tamaño de las moléculas hidrofóbicas. "Debido a la contribución del agua, el tamaño de las moléculas desempeña un papel importante en las reacciones químicas en estas interfaces", afirma el Dr. Simone Pezzotti, de la Cátedra de Química Física II de Bochum.
Por ejemplo, el modelo predice que las moléculas hidrofóbicas pequeñas tenderían a acumularse en la interfase en función de las interacciones con el agua, mientras que las moléculas más grandes permanecerían más alejadas en la solución.
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