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O mistério da água: por que a oxidação da água é tão crítica para a energia solar de hidrogênio?
Na tecnologia energética moderna, a oxidação da água está gradualmente se tornando um campo de pesquisa atraente. Esse processo não apenas gera oxigênio, mas também fornece elétrons e prótons que são essenciais para a produção de energia de hidrogênio. À medida que a demanda por energia renovável aumenta, as reações de oxidação da água estão se tornando cada vez mais importantes na produção de hidrogênio solar.
A oxidação da água envolve a conversão de água em oxigênio e prótons, um processo representado pela seguinte reação: 2 H2O → 4 H+ + 4 e− + O2.
A pesquisa sobre catalisadores de oxidação de água (WOCs) está se desenvolvendo rapidamente. Esses catalisadores podem efetivamente reduzir a barreira de energia para a oxidação da água, tornando todo o processo mais eficiente. Um catalisador de oxidação de água ideal deve ter taxa de reação rápida, alta estabilidade e baixo custo, além de ser composto de materiais seguros e não tóxicos.
Mecanismo e Princípios de Energia
A oxidação da água é mais desafiadora do que a oxidação de sua base conjugada, o hidróxido. O hidróxido é combinado de forma estável com cátions metálicos, de modo que alguns hidróxidos metálicos podem ser oxidados para formar complexos de óxidos metálicos. Nesse processo, o ataque da água aos óxidos metálicos é uma maneira de gerar ligações oxigênio-oxigênio. Além disso, o pareamento de centros hidroxila metálicos também pode levar à formação de ligações oxigênio-oxigênio.
Na fotossíntese, os buracos de elétrons são oxidantes fortes que fornecem as condições de reação necessárias. Para aplicações em dispositivos, o oxidante ideal vem de materiais fotovoltaicos.
Catálise homogênea
Complexo de rutênio
Complexos de hidrato à base de rutênio mostraram excelente desempenho na catálise de oxidação de água, e muitos desses catalisadores contêm ligantes bipiridina e tripiridina. No entanto, a pesquisa sobre esse catalisador ainda está em andamento.
Complexo de Cobalto e Ferro
Embora os catalisadores à base de cobalto fossem instáveis nos primeiros dias, os catalisadores homogêneos de hoje, como [Co(Py5)(H2O)](ClO4)2, podem operar eficientemente por meio da transferência de elétrons acoplada a prótons. Catalisadores à base de ferro também apresentam bom desempenho catalítico e, sob condições apropriadas, podem efetivamente realizar reações de oxidação de água.Complexos de platina
Os catalisadores de platina têm atraído atenção devido à sua alta reatividade, mas geralmente há um equilíbrio entre a taxa catalítica e o número de rotatividade. As pesquisas mais recentes revelam que o ataque nucleofílico da água às espécies Ir=O pode ser a chave para a geração de O2.
Catálise heterogêneaNa catálise heterogênea, o óxido de platina demonstrou ser um catalisador WOC estável em massa. O filme de óxido à base de níquel pode liberar oxigênio em condições quase neutras e apresenta estabilidade a longo prazo.
A presença de uma ponte di-μ-oxigênio entre cátions NiIII/NiIV foi observada na espectroscopia de raios X, uma descoberta importante para a compreensão do mecanismo catalítico.
Conclusão
Os catalisadores e mecanismos envolvidos nas reações de oxidação da água desempenham um papel fundamental nas atuais tecnologias de energia renovável. À medida que a pesquisa avança, poderemos abrir caminho para o desenvolvimento sustentável da energia do hidrogênio. No futuro, como podemos alcançar uma catálise de oxidação de água mais eficiente e estável?
