Identifican los pasos intermedios clave en las reacciones de fotosíntesis artificial

La fotosíntesis artificial, en la cual se intenta emular el proceso usado por la naturaleza para capturar energía del Sol y convertirla en energía electroquímica, se espera que sea un activo importante de cualquier cartera de energía sostenible para el futuro. La fotosíntesis artificial ofrece la promesa de producir combustible líquido que sea renovable y pueda ser usado un exacerbar el cambio climático global. Una clave para llevarla a cabo a escala comercial es el desarrollo de electrocatalizadores que puedan llevar a cabo la reacción de oxidación del agua de forma eficiente y económica, la cual es crítica para el proceso. Ahora, un químico del LBL ha sido capaz de realizar ese esfuerzo.

La oxidación de agua en oxígeno molecular es un proceso de cuatro electrones que implica muchos pasos. Ahora un grupo de investigadores ha obtenido por primera vez, de manera directa, una observación en marco temporal de dos pasos intermedios de la oxidación del agua usando un catalizador sólido abundante en la Tierra, el óxido de cobalto, que les permitió identificar los cuellos de botella cinéticos.

En un sistema fotosintético artificial, la oxidación de moléculas de agua en oxígeno, electrones y protones (iones de hidrógeno) proporciona los electrones necesarios para producir combustibles líquidos a partir de dióxido de carbono y agua. Esto necesita de un catalizador que sea tanto eficiente en su uso de los fotones de luz solar como lo suficientemente rápido para mantener el flujo de luz solar con el fin de evitar el desperdicio de dichos fotones. Debería también ser robusto y costeable a gran escala. Hace cinco años, un estudio identificó el óxido de cobalto en la forma de cristales únicos de nanopartículas como un excelente candidato para afrontar el reto. Sin embargo, darse cuenta el potencial catalítico completo de los nanocristales de óxido de cobalto requiere de una mejor comprensión de los eventos individuales en el ciclo de cuatro electrones de la oxidación del agua. Para ello los investigadores usaron una técnica espectroscópica conocida como espectroscopía de escaneo rápido por transformada de Fourier en infrarrojo

Antes de este estudio, no se conocía si la catálisis, la cual tiene lugar en la superficie de los cristales de óxido de cobalto, tiene, ocurre en cada centro de cobalto en la superficie a la misma velocidad, o si un subconjunto de emplazamientos de cobalto hacen la mayoría del trabajo mientras que otros subconjuntos son lentos o meros espectadores. Los resultados muestran que hay un subconjunto de emplazamientos rápidos donde tiene lugar una considerable fracción de la catálisis, y un subconjunto de emplazamientos donde la catálisis tiene lugar de forma considerablemente más lenta. Esto proporciona las bases para diseñar superficies de cobalto con mayores concentraciones de emplazamientos rápidos.

Via LBL