MADRID, 11 Mar. (EUROPA PRESS) -
Por primera vez, los científicos de la Universidad Northwestern han observado las moléculas de agua en tiempo real mientras se preparaban para ceder electrones para formar oxígeno.
En el momento crucial antes de producir oxígeno, las moléculas de agua realizaron un truco inesperado: se voltearon.
Como estas acrobacias requieren mucha energía, las observaciones ayudan a explicar por qué la división del agua utiliza más energía de la que sugieren los cálculos teóricos. Los hallazgos también podrían conducir a nuevos conocimientos para aumentar la eficiencia de la división del agua, un proceso que promete generar combustible de hidrógeno limpio y producir oxígeno respirable durante futuras misiones a Marte. El estudio fue publicado en la revista Science Advances.
"Cuando se divide el agua, ocurren dos semirreacciones", dijo Franz Geiger, profesor de Química en Northwestern, quien dirigió el estudio.
"Una semirreacción produce hidrógeno y la otra produce oxígeno. La semirreacción que produce oxígeno es realmente difícil de realizar porque todo tiene que estar alineado a la perfección. Termina consumiendo más energía de la calculada teóricamente. Si haces los cálculos, debería requerir 1,23 voltios. Pero, en realidad, requiere más bien 1,5 o 1,6 voltios.
"Proporcionar ese voltaje adicional cuesta dinero, y es por eso que la división del agua no se ha implementado a gran escala. Sostenemos que la energía necesaria para voltear el agua es un contribuyente significativo a la necesidad de esta energía adicional. "Si diseñamos nuevos catalizadores que faciliten la división del agua, podríamos hacer que la división del agua sea más práctica y rentable".
COMBUSTIBLE DE HIDRÓGENO
A medida que el clima continúa calentándose, los investigadores se han interesado cada vez más en la división del agua como una forma de producir combustibles de hidrógeno limpios como alternativa a los combustibles fósiles. Para realizar el proceso, los científicos agregan agua a un electrodo metálico y luego aplican un voltaje.
Esta electricidad divide las moléculas de agua en dos componentes (hidrógeno y oxígeno) sin ningún subproducto no deseado. A partir de ahí, los investigadores pueden recolectar hidrógeno para combustible o reutilizar el hidrógeno y el oxígeno en celdas de combustible energéticamente eficientes.
Aunque la división del agua podría desempeñar un papel importante en una futura economía basada en energía limpia, se enfrenta a varios desafíos. El principal problema es que la parte de oxígeno de la reacción, llamada reacción de evolución del oxígeno (REA), puede ser difícil e ineficiente. Aunque es más eficiente cuando se utiliza iridio como electrodo, Geiger dijo que los científicos necesitan alternativas más asequibles.
"El iridio sólo llega a la Tierra a partir de impactos meteóricos, por lo que hay una cantidad limitada", dijo. "Es muy caro y ciertamente no va a ayudar a resolver la crisis energética en un futuro próximo. Los investigadores están buscando alternativas, como el níquel y el hierro, y esperamos encontrar formas de hacer que estos materiales sean tan eficientes, si no más, que el iridio".
Para entender por qué algunos catalizadores son mejores que otros, el equipo de Geiger quería ver el proceso de REA en acción. Para obtener esta visión sin precedentes, su equipo desarrolló una nueva técnica sofisticada para observar cómo las moléculas de agua interactúan con el electrodo metálico en tiempo real.
Primero, agregaron un electrodo y el agua a un recipiente especial. Luego, apuntaron un láser sobre la superficie del electrodo y midieron la intensidad de la luz a la mitad de la longitud de onda.
El proceso, llamado generación de segundo armónico, es como escuchar el primer sobretono de un diapasón cuando se lo golpea un poco más fuerte de lo habitual. Pero, utilizando múltiples componentes ópticos (lentes, espejos y cristales), los investigadores manipularon el haz láser para obtener más información.
"Nuestra técnica es el equivalente óptico de los auriculares con cancelación de ruido", dijo Geiger. "Básicamente, podemos controlar la interferencia constructiva y deconstructiva (la fase del fotón) y, a partir de eso, podemos cuantificar con precisión cuántas moléculas de agua apuntan a la superficie y cuántas se reorganizan para apuntar en dirección opuesta a ella".