El KAIST desarrolla una plataforma molecular para el control selectivo de las vías de reacción del oxígeno
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Controlar cómo reacciona el oxígeno es importante para mejorar tecnologías como las baterías, las pilas de combustible y los procesos químicos sostenibles desde el punto de vista medioambiental. Un equipo de investigación del KAIST ha desarrollado un nuevo sistema molecular capaz de cambiar de forma selectiva la vía por la que se transfieren los electrones durante la activación del oxígeno. Se espera que estos hallazgos proporcionen un principio de diseño fundamental para los catalizadores y las tecnologías de conversión de energía de próxima generación.
Figura 1. Ilustración esquemática de un complejo de germanio capaz de realizar una transferencia de cuatro electrones mediante la cooperatividad redox entre el germanio y el ligando (arriba a la izquierda), y de la transferencia selectiva de dos electrones y la reactividad ambifílica del intermediario de dos electrones formado mediante metilación (arriba en el centro y arriba a la derecha).
KAIST
El KAIST (presidido por Choongsik Bae) anunció el 22 de julio que un equipo de investigación dirigido por el profesor Seung Jun Hwang, del Departamento de Química, ha desarrollado un sistema molecular capaz de dirigir la activación del oxígeno a lo largo de una vía de transferencia de electrones seleccionada. Mediante la combinación de germanio con una estructura molecular capaz de almacenar y transferir electrones, el equipo ha establecido un principio de diseño para conmutar selectivamente la activación del oxígeno entre las vías de dos y cuatro electrones.
Tradicionalmente, los catalizadores para controlar las reacciones del oxígeno se han desarrollado en torno a centros de metales de transición como el hierro, el cobalto y el níquel. El germanio, por el contrario, es un elemento del grupo principal que pertenece al mismo grupo de la tabla periódica que el silicio y, por lo general, se ha considerado menos adecuado para reacciones que requieren la transferencia coordinada de varios electrones.
Para superar esta limitación, el equipo de investigación combinó el germanio con un ligando redox-activo, una estructura molecular capaz de almacenar, aceptar y transferir electrones. El ligando actúa como depósito de electrones y coopera con el centro de germanio, lo que permite que toda la estructura molecular participe en reacciones multielectrónicas.
Cuando el oxígeno reacciona, los productos y los resultados de la reacción dependen de si se transfieren dos o cuatro electrones. En general, la reducción del oxígeno con dos electrones produce peróxido de hidrógeno, mientras que la reducción con cuatro electrones produce agua. Por lo tanto, el control selectivo de estas vías constituye un reto importante en el desarrollo de baterías, pilas de combustible y catalizadores químicos más ecológicos.
El estudio presenta un ejemplo poco común de un sistema molecular de un grupo principal en el que se puede acceder de forma selectiva a la reactividad de dos y cuatro electrones dentro del mismo marco molecular subyacente. Este enfoque amplía la gama de elementos que pueden tenerse en cuenta en el diseño de catalizadores y ofrece una estrategia alternativa a la dependencia exclusiva de los metales de transición.
El equipo también logró aislar y analizar un compuesto de germanio que representa la etapa de dos electrones de la reacción, el cual estabilizaron uniendo un grupo metilo al complejo de germanio. Sorprendentemente, el átomo de germanio de este compuesto podía tanto donar como aceptar electrones, lo que proporciona una pista importante sobre cómo el sistema controla las diferentes vías de reacción.
El equipo también confirmó el potencial práctico del nuevo sistema. En condiciones suaves y sin exposición a la luz, el complejo de germanio eliminó átomos de halógeno, como el bromo y el cloro, de compuestos orgánicos y regeneró alquenos (compuestos orgánicos que contienen un doble enlace carbono-carbono), que se utilizan ampliamente como materias primas para productos farmacéuticos, plásticos y otros productos químicos. Estos resultados sugieren que se podrían producir materias primas químicas útiles mediante procesos más sencillos y potencialmente más eficientes desde el punto de vista energético.
«Esperamos que estos hallazgos sirvan de base para el desarrollo de catalizadores de última generación para la conversión de energía y contribuyan a procesos químicos más selectivos y eficientes», afirmó el profesor Hwang.
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