23.09.2022 - Westfälische Wilhelms-Universität Münster

Los investigadores demuestran que los catalizadores de óxido quiral alinean el espín electrónico

Investigadores de Münster y Pittsburgh buscan las causas de la polarización del espín en estos materiales

El control del espín de los electrones abre futuros escenarios para aplicaciones en la electrónica basada en el espín (espintrónica), por ejemplo en el procesamiento de datos. También presenta nuevas oportunidades para controlar la selectividad y la eficiencia de las reacciones químicas. Los investigadores han presentado recientemente los primeros éxitos con el ejemplo de la división del agua para producir hidrógeno y oxígeno "verde". Un proyecto conjunto en el que participan grupos de trabajo del Centro de Nanociencia Blanda de la Universidad de Münster y del Instituto de Química de la Universidad de Pittsburgh (Pensilvania, EE.UU.; Prof. David Waldeck) tiene ahora la tarea de avanzar en el desarrollo sistemático de materiales catalizadores selectivos de espín. Para ello, los investigadores relacionan la actividad catalítica de diversos materiales inorgánicos espinopolares con mediciones directas de la selectividad del espín. La atención se centra en los materiales de óxido que se cultivaron a propósito con una estructura quiral. Además, los investigadores también quieren investigar el origen de la polarización de espín en estos materiales quirales. Los resultados de un primer estudio sobre las capas de óxido de cobre quirales se han publicado en la revista "ACS Nano".

Los resultados en resumen

El equipo de investigadores alemanes y estadounidenses examinó primero los catalizadores de óxido quiral, que en este caso consisten en finas capas de óxido de cobre quiral sobre una fina película de oro. Los datos medidos muestran que la polarización del espín de los electrones depende de cuál de estas capas provengan los electrones. El equipo considera que hay dos efectos responsables de ello: el efecto de selectividad de espín inducido por la quiralidad (CISS) y la disposición magnética en las capas quirales. Los resultados deben ayudar a la futura producción de materiales de óxido catalítico con selectividad de espín, mejorando así la eficacia de las reacciones químicas.

El ejemplo de las pilas de combustible: el espín indeseado de los electrones reduce la eficiencia

Explicación de los antecedentes: En el siguiente ejemplo se explica por qué el espín de los electrones es relevante. En las pilas de combustible, el hidrógeno y el oxígeno reaccionan entre sí y forman agua, liberando energía eléctrica en el proceso. El hidrógeno puede haberse producido previamente mediante el proceso inverso, rompiendo las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno. La energía necesaria para ello puede obtenerse a través de la energía eléctrica de fuentes de energía regenerativas o directamente de la luz solar, de modo que, en el futuro, el hidrógeno podría servir como fuente de energía en un ciclo energético diseñado para serneutral en cuanto a emisiones de CO2.

Lo que frena cualquier comercialización a gran escala del concepto -por ejemplo, en vehículos eléctricos que funcionan con pilas de combustible- es, entre otras cosas, la baja eficiencia. Hay que utilizar mucha energía para romper las moléculas de agua, lo que significa que actualmente es menos costoso utilizar esta energía directamente para recargar la batería de un coche. Esta menor eficiencia en la ruptura de las moléculas de agua es consecuencia no sólo de la elevada sobretensión necesaria para desarrollar oxígeno en el ánodo de la célula de electrólisis, sino también de la producción de subproductos no deseados, como el peróxido de hidrógeno y el oxígeno excitado electrónicamente. Debido a su alta reactividad, estos subproductos también pueden atacar el material del electrodo. Ambos subproductos se producen en el llamado estado singlete, en el que los espines de los electrones implicados en los enlaces moleculares están alineados en modo antiparalelo entre sí. En el producto deseado de la reacción -el oxígeno en el estado electrónico básico- esto no es así, ya que forma un estado triplete con los espines alineados en paralelo, por lo que la generación de una sola dirección de espín ayuda a llegar a este estado deseado del oxígeno.

Nuevo enfoque: el catalizador de óxido produce el espín deseado del electrón

Este es un nuevo enfoque porque implica que los espines de los radicales adsorbidos en las superficies de los catalizadores, a partir de los cuales se forman los subproductos, se alinean en paralelo. Esta alineación paralela de los espines de los electrones puede lograrse utilizando un material quiral. En este caso, la transferencia de electrones a través de los electrodos como consecuencia del efecto CISS, o a través del cambio estructural en el óxido, puede ser selectiva de espín. En consecuencia, se suprime la formación de moléculas en el estado singlete no deseado y se aumenta el rendimiento de hidrógeno.

Aunque los investigadores han demostrado con éxito la catálisis selectiva de espín, todavía no se conoce del todo el origen del efecto CISS. Se ha demostrado la transmisión selectiva de espín de los electrones a través de moléculas helicoidales -y, por tanto, también quirales-. Sin embargo, estudios más recientes muestran que la transmisión selectiva de espín también se produce en materiales inorgánicos, no moleculares, quirales. Las superficies inorgánicas que filtran el espín son más estables, químicamente, que las capas moleculares quirales y permiten mayores densidades de corriente en el contexto de la catálisis selectiva de espín.

El estudio actual en detalle

En el estudio que ahora se publica, el autor principal, Paul Möllers, estudiante de doctorado de la Universidad de Münster, examinó películas de óxido de cobre quirales con un grosor de apenas unos nanómetros que habían sido depositadas previamente de forma quiral por investigadores de Pittsburgh sobre finos sustratos de oro. Se utilizaron pulsos de láser UV para estimular los fotoelectrones de las muestras y se midió su polarización de espín media (en un polarímetro de espín basado en la "dispersión de Mott"). Dependiendo de si las muestras eran golpeadas desde la cara frontal cubierta de óxido o desde el reverso, en el proceso se emitían electrones con diferentes energías desde el sustrato de oro o desde las propias películas de óxido, en diferentes proporciones. Al correlacionar la distribución de energía con los valores de polarización de espín medidos, los investigadores de Münster demostraron que los electrones de ambas capas están polarizados en diferente medida.

Los electrones del sustrato de oro son filtrados, en cuanto a su espín, por el efecto CISS cuando pasan por la capa quiral. Los electrones del óxido de cobre quiral muestran una polarización de espín opuesta, y en el caso de las películas con un grosor de más de 40 nanómetros, hay una preponderancia de estos electrones de óxido de cobre. Las mediciones adicionales realizadas por el grupo de trabajo dirigido por el profesor Heiko Wende en el Departamento de Física de la Universidad de Duisburg-Essen sugieren que esto refleja una disposición magnética en las capas quirales que no se observa en las películas de óxido no quirales con la misma composición.

Para seguir esta hipótesis, el montaje experimental de Münster se ampliará con la posibilidad de medir la polarización del espín en los electrones dependiendo directamente de su energía. A partir del estudio que ahora se publica, nuevas mediciones en películas de óxido de cobre y cobalto quirales permitirán no sólo diferenciar claramente ambos mecanismos de polarización, sino también diseñar específicamente materiales catalizadores inorgánicos quirales selectivos de espín.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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