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La magia de los metales: ¿Qué catalizadores metálicos pueden liberar oxígeno rápidamente y cambiar el futuro energético?
La catálisis por oxidación del agua (WOC) no consiste simplemente en producir oxígeno, sino en explorar futuras fuentes de energía renovables, especialmente en el proceso de división del agua para producir hidrógeno. La esencia de la oxidación del agua es convertir el agua en oxígeno y protones (2 H2O → 4 H+ + 4 e− + O2). Aunque el oxígeno está ampliamente disponible en el aire, los catalizadores que mejoran la eficiencia de la oxidación del agua sin duda desempeñarán un papel clave en el desarrollo de energía limpia en el futuro.
El proceso de oxidación del agua es mucho más difícil que la oxidación de su hidróxido de base conjugada.
Los tipos de catalizadores se dividen principalmente en catalizadores homogéneos y catalizadores heterogéneos, entre los que destacan los catalizadores metálicos. Estos catalizadores no sólo necesitan funcionar rápidamente con un sobrepotencial bajo, sino que también tienen una alta estabilidad y un bajo costo, y se prefieren componentes no tóxicos y respetuosos con el medio ambiente.
Catalizador homogéneo
Complejo de rutenio
Se han logrado algunos avances en la reacción de oxidación del agua catalizada por el hidrato de Lutan. Estos catalizadores normalmente contienen ligandos de tipo bipiridina o tripiridina. En particular, la velocidad de reacción de los catalizadores que contienen ácido piridin-2-carboxílico puede alcanzar 300 s-1, lo que es comparable al sistema fotosintético II. En investigaciones recientes han surgido muchos ligandos de polipiridina nuevos.
Complejo de Cobalto y Hierro
Los primeros catalizadores WOC a base de cobalto tenían problemas de estabilidad insuficiente. El catalizador homogéneo relativamente nuevo [Co(Py5)(H2O)](ClO4)2 forma especies [CoIII--OH]2+ a través de una reacción de transferencia de electrones acoplada a protones, que luego se oxida para generar un intermedio CoIV y finalmente reacciona. con agua Libera oxígeno. Además, el compuesto polioximetálico de cobalto [Co4(H2O)2(α-PW9O34)2]10- exhibe una alta eficiencia catalítica, y algunos complejos que contienen hierro también tienen buenas propiedades catalíticas.
Muchos compuestos relacionados poseen propiedades descomponibles y la mayoría se degradan en cuestión de horas.
Complejo de iridio
Aunque el complejo de iridio [Ir(ppy)2(OH2)2]+ exhibe un mayor número de ciclos de reacción, la velocidad catalítica es menor. Al reemplazar ppy con Cp* (C5Me5), se puede mejorar la actividad catalítica pero se reduce el número de ciclos. Se cree que el ataque nucleofílico del agua es una de las razones de la formación de O2.
Catalizador heterogéneo
En este campo, el óxido de iridio sirve como catalizador primario estable y muestra un bajo sobrepotencial. Además, la película de óxido a base de níquel libera oxígeno en condiciones casi neutras, lo que muestra un sobrepotencial ultrabajo de aproximadamente 425 mV y estabilidad. Las técnicas espectroscópicas de rayos X revelaron la presencia de puentes dobles de óxido μ entre iones NiIII/NiIV, pero no se encontró evidencia de puentes únicos de óxido μ.
El óxido de cobalto (Co3O4) se está estudiando de forma similar a otras sales de cobalto.
En este contexto, se pueden preparar catalizadores estables y eficientes adsorbiendo CoII en nanopartículas de sílice. Estos compuestos muestran una buena actividad en el proceso de oxidación del agua y, cuando se tratan hidrotermalmente con materiales de carbono, pueden mostrar excelentes efectos de división del agua.
Perspectivas futuras
El desarrollo de catalizadores de oxidación del agua será sin duda de gran importancia en el ecosistema energético del futuro. A medida que la investigación se profundiza, nos acercamos a la creación de catalizadores que puedan convertir eficientemente el agua en energía de hidrógeno, lo que hará posible la combinación de energía solar y energía de hidrógeno. ¿Imagínese cómo cambiará nuestro futuro energético si en el futuro hay datos que demuestren que esta tecnología puede utilizarse ampliamente?
