La energía del hidrógeno es una fuente emergente de energía limpia y sostenible que tiene un gran potencial para un futuro más verde. Como el elemento más abundante en el universo, el hidrógeno puede producirse a partir de recursos renovables y utilizarse como un combustible versátil para la generación de electricidad, el transporte y las aplicaciones industriales. Su combustión solo produce vapor de agua como subproducto, lo que la convierte en una solución prometedora para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y mitigar el cambio climático.
Los científicos de la Universidad de Kansas y el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. lograron avances significativos en la separación de las moléculas de hidrógeno y oxígeno para producir hidrógeno puro, sin utilizar combustibles fósiles.
Los resultados de los experimentos de radiólisis por pulsos revelaron el mecanismo de reacción completo para un grupo importante de catalizadores de «división de agua». Este avance del equipo de KU y Brookhaven nos acerca a la generación de hidrógeno puro a partir de fuentes de energía renovables. Esto podría contribuir potencialmente a una situación más sostenible para la nación y el mundo.
Sus hallazgos fueron publicados recientemente en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
«Comprender cómo funcionan las reacciones químicas que producen combustibles limpios como el hidrógeno es muy desafiante; este artículo representa la culminación de un proyecto que comencé en mi primer año en KU», dijo el coautor James Blakemore, profesor asociado de química cuya investigación en Lawrence forma la base del descubrimiento.
“Nuestro trabajo presenta datos obtenidos con esfuerzo de técnicas especializadas para comprender cómo un catalizador determinado para la generación de hidrógeno hace el trabajo”, dijo. “Las técnicas que se usaron tanto aquí en KU como en Brookhaven son bastante especializadas. Implementarlos nos permitió obtener una imagen completa de cómo producir hidrógeno a partir de sus partes constituyentes, protones y electrones”.
La investigación de Blakemore en KU fue la base del descubrimiento. Llevó su trabajo a Brookhaven para la investigación usando radiólisis de pulso, así como otras técnicas, en el Centro Acelerador para la Investigación Energética. Brookhaven es uno de los dos únicos lugares del país que alberga equipos que permiten experimentos de radiólisis pulsada.
«Es muy raro que pueda obtener una comprensión completa de un ciclo catalítico completo», dijo el químico de Brookhaven Dmitry Polyansky, coautor del artículo. «Estas reacciones pasan por muchos pasos, algunos de los cuales son muy rápidos y no se pueden observar fácilmente».
Blakemore y sus colaboradores hicieron el descubrimiento al estudiar un catalizador basado en un complejo de pentametilciclopentadienil rodio, que es [Cp*Rh] abreviado. Se centraron en el ligando Cp* (pronunciado CP-“estrella”) emparejado con el raro metal rodio debido a sugerencias de trabajos anteriores que mostraban que esta combinación sería adecuada para el trabajo.
“Nuestro sistema de rodio resultó ser un buen objetivo para la radiólisis de pulso”, dijo Blakemore. “Los ligandos Cp*, como se les llama, son familiares para la mayoría de los químicos organometálicos y, de hecho, para los químicos de todas las tendencias. Se utilizan para soportar muchos catalizadores y pueden estabilizar una variedad de especies involucradas en ciclos catalíticos. Un hallazgo importante de este artículo proporciona una nueva visión de cómo el ligando Cp* puede estar íntimamente involucrado en la química de la evolución del hidrógeno».
Pero Blakemore enfatizó que los descubrimientos podrían conducir a otros procesos químicos mejorados más allá de la producción de hidrógeno limpio.
“En nuestro trabajo, esperamos que los químicos vean un estudio de cómo un ligando común, Cp*, puede permitir una reactividad inusual”, dijo el investigador de KU. “Esta reactividad inusual es relevante para la historia del hidrógeno, pero en realidad es más grande que eso porque el Cp* se encuentra en muchos catalizadores diferentes. Los químicos normalmente piensan que los catalizadores están basados en metales. En esa forma de pensar, si está haciendo una nueva molécula, el metal es el jugador clave que une las partes constituyentes. Nuestro artículo muestra que esto no siempre es así. Cp* puede estar involucrado en coser las partes para formar productos”.
Blakemore dijo que espera que este artículo sea una apertura que conduzca a mejoras en otros catalizadores y sistemas que dependen de ligandos Cp*. El descubrimiento, que fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Ciencias del DOE, puede aplicarse de manera más amplia a la química industrial. Blakemore ahora está trabajando en la aplicación de técnicas como las utilizadas en este trabajo para el desarrollo de nuevos enfoques para el reciclaje de combustibles nucleares y el manejo de especies de actínidos.
Los estudiantes de KU en los niveles de posgrado y pregrado también participaron en la investigación que sustentó el avance.
“Este proyecto fue un vehículo de capacitación muy importante para los estudiantes”, dijo Blakemore. “El estudiante graduado Wade Henke, el primer autor, se encuentra ahora en el Laboratorio Nacional de Argonne como becario posdoctoral. El estudiante graduado Yun Peng es el segundo autor e inició el trabajo conjunto con Brookhaven; ambos ya han completado sus doctorados. Los estudiantes universitarios también han contribuido a este proyecto a lo largo de los años, proporcionando nuevos complejos e ideas que utilizamos para enmarcar la historia que surgió en este artículo.
“En general, considero que este es un proyecto exitoso y que ha sido un verdadero esfuerzo de equipo a lo largo de los años”.
Referencia: «Papeles mecánicos de especies de ligandos y metales protonados en la evolución del hidrógeno con [Cp*Rh] Complexes” de Wade C. Henke, Yun Peng, Alex A. Meier, Etsuko Fujita, David C. Grills, Dmitry E. Polyansky y James D. Blakemore, 15 de mayo de 2023, Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
DOI: 10.1073/pnas.2217189120
