Producir hidrógeno con menos energía
Un equipo internacional de investigación describe la ruta de reacción completa para la generación electrocatalítica de hidrógeno
Un equipo internacional de investigación de la Universidad de Jena y la Universidad de Milán-Bicocca ha descrito por primera vez en detalle el modo en que un compuesto inspirado en la naturaleza produce hidrógeno. Estos descubrimientos son la base para la producción eficiente de hidrógeno como fuente de energía sostenible.
El Dr. Laith Almazahreh está investigando el mecanismo de formación electrocatalítica de hidrógeno con un compuesto modelo inspirado en la naturaleza en la Universidad Friedrich Schiller de Jena.
Jens Meyer/Universität Jena
La naturaleza como modelo
Existen microorganismos naturales que producen hidrógeno mediante unas enzimas especiales llamadas hidrogenasas. "Lo especial de las hidrogenasas es que generan hidrógeno de forma catalítica. A diferencia de la electrólisis, que suele llevarse a cabo industrialmente con un costoso catalizador de platino, los microorganismos utilizan compuestos organometálicos de hierro", explica el profesor Wolfgang Weigand, del Instituto de Química Inorgánica y Analítica de la Universidad de Jena. "Como fuente de energía, el hidrógeno es naturalmente de gran interés. Por eso queremos entender exactamente cómo tiene lugar este proceso catalítico", añade.
En el pasado, ya se han producido en todo el mundo numerosos compuestos que siguen el modelo químico de las hidrogenasas naturales. En colaboración con la Universidad de Milán, Weigand y su equipo de Jena han producido ahora un compuesto que ha aportado conocimientos totalmente nuevos sobre el proceso de catálisis. "Como en la naturaleza, nuestro modelo se basa en una molécula que contiene dos átomos de hierro. Sin embargo, en comparación con la forma natural, hemos cambiado el entorno químico del hierro de una manera específica. En concreto, sustituimos una amina por un óxido de fosfina con propiedades químicas similares. Así, pusimos en juego el elemento fósforo".
Una visión detallada de la producción electrocatalítica de hidrógeno
Esto permitió a Weigand y a su equipo comprender mejor el proceso de formación de hidrógeno. Mediante la autodisociación, el agua forma protones con carga positiva e iones de hidróxido con carga negativa. "Nuestro objetivo era comprender cómo estos protones forman el hidrógeno. Sin embargo, el donante de protones en nuestros experimentos no era el agua, sino un ácido", dice Weigand. "Observamos que el protón del ácido se transfiere al óxido de fosfina de nuestro compuesto, seguido de una liberación de protones a uno de los átomos de hierro. Un proceso similar se encontraría también en la variante natural de la molécula", añade. Para equilibrar la carga positiva del protón y producir finalmente hidrógeno, se introdujeron electrones con carga negativa en forma de corriente eléctrica. Con la ayuda de la voltamperometría cíclica y el software de simulación desarrollado en la Universidad de Jena, se examinaron los pasos individuales en los que estos protones se redujeron finalmente a hidrógeno libre. "Durante el experimento, pudimos ver realmente cómo el gas hidrógeno salía de la solución en pequeñas burbujas", señala Weigand.
"Los datos de las mediciones experimentales de la voltamperometría cíclica y los resultados de la simulación fueron utilizados por el equipo de investigación de Milán para realizar cálculos químicos cuánticos", 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 se había hecho antes con este nivel de precisión". El grupo ha publicado los resultados y la vía de reacción propuesta en la prestigiosa revista ACS Catalysis.
El objetivo: el hidrógeno a través de la energía solar
A partir de estos hallazgos, Weigand y su equipo quieren ahora desarrollar nuevos compuestos que no sólo puedan producir hidrógeno de forma eficiente desde el punto de vista energético, sino que además utilicen fuentes de energía sostenibles para ello. "El objetivo del Centro de Investigación Colaborativa Transregio 234 'CataLight', del que forma parte esta investigación, es la producción de hidrógeno mediante la división del agua con el uso de la luz solar", explica Weigand. "Con los conocimientos adquiridos en nuestra investigación, ahora estamos trabajando en el diseño y la investigación de nuevos catalizadores basados en las hidrogenasas, que en última instancia se activan utilizando la energía de la luz".
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Publicación original
Laith R. Almazahreh, Federica Arrigoni, Hassan Abul-Futouh, Mohammad El-khateeb, Helmar Görls, Catherine Elleouet, Philippe Schollhammer, Luca Bertini, Luca De Gioia, Manfred Rudolph, Giuseppe Zampella und Wolfgang Weigand; "Proton Shuttle Mediated by (SCH2)2P═O Moiety in [FeFe]-Hydrogenase Mimics: Electrochemical and DFT Studies"; ACS Catalysis; 2021, 11, 7080-7098
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