Dugan Hayes, químico da Argonne, Lin Chen, e Ryan Hadt identificaram um processo eletrônico rápido que pode ajudar na reação de divisão da água em catalisadores contendo cobalto. Os catalisadores de cobalto são relativamente baratos e podem substituir os catalisadores de metais preciosos mais caros na produção de energia limpa, mais notavelmente os combustíveis solares. Crédito:Laboratório Nacional de Argonne
Ao dividir uma molécula de água em dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio, os cientistas podem usar a energia ilimitada do sol para fazer um combustível limpo. Em um novo estudo do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e da Universidade de Harvard, os cientistas, pela primeira vez, puderam ver uma etapa especialmente importante no processo de divisão da água, o que pode nos aproximar de uma energia solar abundante para todos.
Dividir uma molécula de água requer um catalisador de metal para fazer a reação funcionar. Recentemente, muita atenção científica se concentrou no cobalto, um catalisador relativamente abundante e barato que - nas circunstâncias certas - pode servir como uma escolta para uma dança eletrônica entre hidrogênios e oxigênio.
"Essencialmente, permite que você tenha um instantâneo focado, em vez de apenas ver um borrão químico. É importante determinarmos as características do catalisador na escala de tempo em que os elétrons estão se movendo. "
"Os catalisadores de cobalto que envolvem oxigênio são os componentes ativos em tecnologias como folhas artificiais e outros materiais nos quais você pode coletar luz para conduzir a síntese de combustíveis solares, "disse o pesquisador de pós-doutorado de Argonne, Ryan Hadt, um co-primeiro autor do estudo.
A reação geral de divisão da água tem, na verdade, duas metades. Os pesquisadores se concentraram no primeiro semestre, chamada de oxidação da água, o que requer a transferência de quatro prótons e quatro elétrons e, eventualmente, resulta na formação de uma ligação oxigênio-oxigênio. Para este processo, os oxigênios precisam de um parceiro de dança temporário, que é tocado pelo catalisador de cobalto.
Mas o motivo pelo qual essa dança ainda não é bem compreendida é que as transferências e a formação do vínculo acontecem em um piscar de olhos - todo o processo leva menos de um bilionésimo de segundo. Para entender as nuances da ação de vinculação, os pesquisadores precisaram realizar medições de espectroscopia de absorção de raios-X na Fonte Avançada de Fótons de Argonne.
Em sua análise, os pesquisadores se concentraram em uma reviravolta química particularmente intrigante. No início do processo, uma ponte de dois átomos de oxigênio conecta dois íons de cobalto. Cada um dos íons cobalto, por sua vez, está conectado à sua própria molécula de água. Neste ponto, as coisas estão bem estáveis.
A dança eletrônica está pronta para começar quando um íon cobalto adiciona uma carga positiva adicional, aumentando temporariamente um número característico que os cientistas chamam de "estado de oxidação". No caso do cobalto, o estado de oxidação muda, apenas por um instante, de três a quatro.
Quando dois íons de cobalto com um estado de oxidação de quatro entram em contato, o processo começa para valer. As transferências de carga fazem com que os átomos de hidrogênio das moléculas de água se dissociem de suas ligações de oxigênio, deixando os átomos de cobalto ligados apenas aos íons de oxigênio.
O momento-chave segue imediatamente depois, quando os centros de cobalto recebem, cada um, um elétron extra dos átomos de oxigênio recém-expostos. Quando isso acontece, uma ligação é formada entre os dois oxigênios, criando um estágio molecular intermediário chamado peróxido, que pode ser rapidamente oxidado para liberar uma molécula de dioxigênio. Os elétrons obtidos da água durante este processo podem ser usados para fazer combustíveis solares.
Usando a Fonte Avançada de Fótons, um DOE Office of Science User Facility, os pesquisadores foram capazes de medir diretamente os estados de oxidação do cobalto e, em seguida, usar a teoria para calcular uma quantidade conhecida como "acoplamento de troca, "um valor mecânico quântico que identifica a relação entre os spins dos elétrons que são transportados entre os átomos de oxigênio e cobalto. Os pesquisadores descobriram que os spins desses elétrons estão em direções opostas - no jargão científico, eles são antiferromagneticamente acoplados.
"O antiferromagnetismo desempenha um papel importante na formação da ligação oxigênio-oxigênio, "disse Hadt, "já que fornece uma maneira de transferir simultaneamente dois elétrons para fazer uma ligação química."
O pesquisador de pós-doutorado e autor do estudo de Argonne, Dugan Hayes, também apontou para a capacidade única da Fonte Avançada de Fótons de resolver a localização dos átomos de cobalto extra-oxidados. "Essencialmente, permite que você tenha um instantâneo focado, em vez de apenas ver um borrão químico, Ele disse. "É importante determinarmos as características do catalisador na escala de tempo em que os elétrons estão se movendo."
Um artigo baseado na pesquisa, "Caracterização in situ de centros Co (IV) cofacial em Co 4 O 4 cubano:Modelagem do sítio ativo de alta valência em catalisadores de evolução de oxigênio, "apareceu na edição de 27 de março do Proceedings of the National Academy of Sciences .
