O hidrogênio é o elemento mais abundante do universo. A molécula de dihidrogênio, com uma ligação H-H, é um dos mais simples e flexíveis da química. A clivagem de uma ligação dihidrogênica para produzir ou armazenar energia requer o projeto do catalisador com o equilíbrio perfeito de propriedades para atingir a reatividade desejada. Além disso, a capacidade de fazer essa molécula se remontar e controlar a taxa de montagem e desmontagem é importante na produção de combustíveis limpos. Morris Bullock e seus colegas do Pacific Northwest National Laboratory obtiveram controle sobre a taxa de clivagem e remontagem de uma molécula de dihidrogênio.

Na busca contínua pela produção de combustível limpo, os cientistas têm investigado maneiras simples de clivar heteroliticamente a molécula de hidrogênio em dois produtos desiguais. Compreender as propriedades da clivagem da ligação heterolítica do dihidrogênio e controlar a localização e a energia do próton resultante e do hidreto carregado negativamente é importante para o projeto de novos catalisadores para células de combustível e outras fontes de energia limpa.

A ligação dihidrogênio é a mais simples em química, mas oferece uma flexibilidade em como a ligação é rompida. Ele pode ser quebrado de duas maneiras diferentes, homoliticamente ou heteroliticamente, em dois fragmentos idênticos ou dois fragmentos carregados diferentes, um próton e hidreto. A clivagem heterolítica é a quebra do par de elétrons de ligação em dois produtos desiguais. Este é um processo comum no uso de hidrogênio em células a combustível e em processos biológicos que ocorrem na natureza em que as enzimas oxidam hidrogênio. A clivagem heterolítica reversa é o processo de pegar esses fragmentos desiguais e reconstruí-los à sua estrutura original; isso é, combinando o próton e hidreto e criando dihidrogênio.

Antes deste estudo, Bullock e seus colegas investigaram como as ligações de dihidrogênio são quebradas e transformadas em uma molécula de dihidrogênio. "O que estamos tentando fazer é encontrar as características eletrônicas certas para que a energia necessária para a clivagem seja baixa, "diz Bullock, um cientista de catálise.

Projetar essa molécula é um ato de equilíbrio. As iterações anteriores dessas moléculas foram ligadas com muita força ao catalisador após a clivagem ou eram muito fracas para se ligar ao catalisador. Em resposta, Os cientistas do PNNL criaram uma série de catalisadores à base de molibdênio, para o qual a taxa de clivagem e remontagem de H-H pode ser sistematicamente variada.

Além disso, Bullock e seus colegas provaram que existe um mecanismo para controlar a taxa de clivagem heterolítica reversível. Usando espectroscopia de ressonância magnética nuclear em PNNL, eles observaram a reação conforme ocorria. Avançar, eles controlavam a taxa de clivagem alterando sistematicamente as características eletrônicas dos complexos metálicos. Algumas dessas ligações são clivadas e remontadas cerca de 10 milhões de vezes por segundo em temperatura ambiente. Ao alterar a acidez desses complexos, a taxa de clivagem heterolítica reversível pode ser alterada por um fator de 10, 000

Compreender as propriedades termodinâmicas e cinéticas da clivagem da ligação dihidrogênica heterolítica e controlar a transferência do próton e do hidreto são extremamente importantes para o projeto de novos catalisadores. A próxima etapa é determinar como atingir a clivagem das ligações H-H e controlar a entrega de prótons e hidretos após a quebra da ligação H-H.