Nuevo catalizador híbrido para producir oxígeno limpio
Un planteamiento innovador abre interesantes posibilidades de diseño de materiales avanzados para tecnologías de catálisis, detección y conversión de la energía solar
Un equipo de investigación del Instituto de Química de Materiales de la Universidad Técnica de Viena, dirigido por el profesor Dominik Eder, ha desarrollado un nuevo método sintético para crear materiales de estructura híbrida duraderos, conductores y catalíticamente activos para la división (foto)electrocatalítica del agua.
Comparación esquemática de la reacción (foto)electrocatalítica y la estabilidad de marcos zeolíticos de imidazolato de ligando único y mixto
TU Wien
Catalizadores porosos de armazón metálico-orgánico
El desarrollo de tecnologías para vectores energéticos sostenibles, como el hidrógeno, es esencial. Una forma prometedora de producir hidrógeno (H2) es a partir de la división del agua en H2 y oxígeno (O2), ya sea electroquímicamente o mediante luz, o ambas cosas, camino que sigue el equipo. Sin embargo, este proceso requiere un catalizador que acelere la reacción sin consumirse. Los criterios clave para un catalizador incluyen una gran superficie para la adsorción y división de moléculas de agua, y durabilidad para su uso a largo plazo.
Los marcos zeolíticos de imidazolato (ZIF), una clase de materiales híbridos orgánicos/inorgánicos con interfaces moleculares y numerosos poros, ofrecen superficies récord y amplios sitios de adsorción de agua como catalizadores. Están formados por iones metálicos individuales, como los de cobalto, conectados por moléculas orgánicas específicas, denominadas ligandos, a través de lo que se denominan enlaces de coordinación. Los ZIF convencionales sólo contienen un tipo de ligando orgánico. "Estas ZIF suelen carecer de estabilidad en agua en condiciones electrocatalíticas que garanticen su aplicación a largo plazo. Además, su baja conductividad electrónica también limita su eficacia en aplicaciones electrocatalíticas", explica Dominik Eder.
Para hacer frente a estos retos, el equipo ha desarrollado una forma de diseñar ZIF utilizando dos o más ligandos orgánicos. "Teníamos que tener cuidado de mezclar ambos ligandos de manera que se creara una distribución uniforme por todo el armazón, preservando al mismo tiempo la estructura original de la ZIF", explica Zheao Huang, autor principal del estudio. Por ello, el equipo investigó exhaustivamente una serie de combinaciones de ligandos y parámetros de proceso y finalmente pudo identificar la pareja de ligandos más adecuada.
Beneficios sinérgicos al mezclar dos ligandos orgánicos
Los autores descubrieron que esta modificación había mejorado significativamente la estabilidad del ZIF, ampliando su durabilidad durante la división electrocatalítica del agua de unos pocos minutos a al menos un día. Mediante investigaciones exhaustivas con una amplia gama de técnicas espectroscópicas y microscópicas experimentales, apoyadas por teoría computacional en colaboración con la Universidad Normal de China Central, el equipo observó que la mezcla precisa de los dos ligandos reforzaba sinérgicamente el enlace de coordinación con el metal de cobalto. Como resultado, la estructura porosa no se colapsó durante las pruebas (foto)electrocatalíticas. "En su lugar, observamos que tras unos pocos minutos de reacción se formaba una película muy fina de apenas unos nanómetros, compuesta por oxihidróxido de cobalto, en la superficie de las nanopartículas de ZIF, lo que impedía una mayor degradación y colapso", afirma Huang Zheao.
Además, la combinación de dos ligandos ha multiplicado por diez la conductividad del material ZIF y, en consecuencia, también la velocidad de reacción de evolución del oxígeno (OER). "Las simulaciones revelaron que los dos ligandos interactúan de forma sinérgica, creando una alta densidad de portadores de carga móviles en todo el material", explica Dominik Eder y añade: "Aunque esperábamos algunas mejoras con esta nueva estrategia, nos sorprendió lo mucho que mejoró el rendimiento (foto)electrocatalítico de los ZIF."
Perspectivas de futuro y aplicaciones más amplias
El equipo está explorando ahora este enfoque versátil para otros ZIF, así como marcos metalorgánicos (MOF) que también carecen de estabilidad y conductividad en aplicaciones electrocatalíticas y (foto)electrocatalíticas. Este enfoque innovador abre interesantes posibilidades de diseño de materiales avanzados para catálisis, detección y tecnologías de conversión de la energía solar, lo que nos acerca a las aplicaciones en el mundo real.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Zheao Huang, Zhouzhou Wang, Hannah Rabl, Shaghayegh Naghdi, Qiancheng Zhou, Sabine Schwarz, Dogukan Hazar Apaydin, Ying Yu, Dominik Eder; "Ligand engineering enhances (photo) electrocatalytic activity and stability of zeolitic imidazolate frameworks via in-situ surface reconstruction"; Nature Communications, Volume 15, 2024-10-30
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