Descodificación de la fotosíntesis artificial
Cómo el nitruro de carbono divide el agua (y hace posible el hidrógeno verde)
Los científicos llevan mucho tiempo tratando de comprender el mecanismo exacto que subyace a la división del agua por catalizadores de nitruro de carbono. Por primera vez, el Dr. Paolo Giusto y su equipo han captado las interacciones paso a paso en la interfaz entre el nitruro de carbono y el agua, detallando la transferencia de protones y electrones del agua al catalizador bajo la luz. Este descubrimiento sienta las bases para optimizar los materiales catalizadores para la producción de hidrógeno como solución energética renovable.
En la fotosíntesis artificial, el nitruro de carbono divide el agua en oxígeno e hidrógeno. Esta novedosa comprensión del mecanismo es crucial para desarrollar materiales más eficientes para producir hidrógeno verde a partir de la luz solar.
© Talha Demir, MPIKG
Las plantas utilizan la luz para generar combustibles mediante la fotosíntesis, que convierte la energía solar en moléculas de azúcar. Con la fotosíntesis artificial, los científicos imitan a la naturaleza y convierten la luz en sustancias químicas de alta energía, en busca de combustibles sostenibles. Los nitruros de carbono se han identificado desde hace tiempo como catalizadores eficaces en esta búsqueda. Estos compuestos de carbono y nitrógeno utilizan la luz para descomponer el agua en sus componentes, oxígeno e hidrógeno, que representa una prometedora fuente de energía renovable.
Pero, ¿cómo funciona exactamente la división del agua?
Por primera vez, los investigadores han captado cada paso de una de las reacciones más estudiadas y menos comprendidas de la última década. El investigador principal, Paolo Giusto, del Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces, afirma: "Esto va más allá de dar respuesta a una vieja pregunta de la ciencia fundamental". "Desvelar la interacción entre las moléculas de agua y los nitruros de carbono bajo la luz es esencial para el avance de la energía verde".
La clave para resolver este enigma científico reside en los intrincados procesos que se desarrollan cuando el agua se adhiere a la superficie del nitruro de carbono. Hasta ahora, las diferentes escalas temporales de las numerosas reacciones implicadas han dificultado la obtención de una imagen completa, y los científicos se han basado en cálculos teóricos y experimentos retrospectivos. Gracias a técnicas espectroscópicas avanzadas, Giusto y sus colegas atraparon al nitruro de carbono ... in fraganti.
La magia se produce en la interfaz, el límite nanoscópico entre el nitruro de carbono sólido y las moléculas de agua líquida. El nitruro de carbono transfiere densidad electrónica al agua, formando un sistema híbrido. "A partir de ese momento, el agua y el catalizador actúan como un nuevo semiconductor híbrido. Es como si unieran sus fuerzas en un equipo con propiedades distintas a las de los elementos individuales", describe la Dra. Sonia Żółtowska.
Esto desencadena nuevas reacciones, ya que la transferencia de partículas crea un desequilibrio. En este caso, los enlaces químicos del agua empiezan a debilitarse. Cuando el nitruro de carbono absorbe la luz, utiliza la energía para desestabilizar aún más las moléculas de agua mediante una transferencia de electrones acoplada a protones."Esto significa una transferencia simultánea de un protón cargado positivamente y un electrón cargado negativamente del agua al catalizador", explica el Dr. Daniel Cruz, del Instituto Fritz Haber. Este compuesto intermedio era la pieza que faltaba en el rompecabezas de la fotosíntesis artificial: los investigadores registraron y analizaron en tiempo real el mecanismo que acaba descomponiendo el agua en oxígeno e hidrógeno.
Este descubrimiento se sitúa en el nivel de la química de superficie, pero conlleva profundas implicaciones para el avance de soluciones energéticas sostenibles. Aunque el uso a gran escala del hidrógeno como alternativa a los combustibles fósiles sigue siendo un objetivo para el futuro, esta investigación traza una hoja de ruta para afinar los catalizadores y acercarse un paso más a la producción eficiente de hidrógeno a partir de la división del agua.
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