I chimici dell’Università del Kansas e del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti hanno compiuto un grande passo verso la scissione delle molecole di idrogeno e ossigeno per produrre idrogeno puro, senza utilizzare combustibili fossili.
I risultati degli esperimenti di radiolisi a impulsi hanno messo a nudo il meccanismo di reazione completo per un importante gruppo di catalizzatori che “scisgono l’acqua”. Il lavoro di KU e Brookhaven significa che gli scienziati sono più vicini a produrre idrogeno puro da energia rinnovabile, una fonte di energia che potrebbe contribuire a un futuro più verde per la nazione e il mondo.
I loro risultati appaiono questa settimana in Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze.
“Capire come funzionano le reazioni chimiche che fanno funzionare i combustibili puliti come l’idrogeno è molto impegnativo: questo documento rappresenta il culmine di un progetto che ho iniziato nel mio primissimo anno alla KU”, ha affermato il coautore James Blakemore, professore associato di chimica, la cui ricerca in Lawrence costituisce la base della scoperta.
“Il nostro documento presenta dati che sono stati duramente ottenuti da tecniche specializzate per capire come un certo catalizzatore per la generazione di idrogeno fa il lavoro”, ha detto. “Le tecniche utilizzate sia qui alla KU che a Brookhaven sono piuttosto specializzate. L’implementazione di queste ci ha permesso di ottenere un quadro completo di come produrre idrogeno dalle sue parti costitutive, protoni ed elettroni”.
La ricerca di Blakemore alla KU è stata la base della svolta. Ha portato il suo lavoro a Brookhaven per la ricerca utilizzando la radiolisi a impulsi, così come altre tecniche, presso il loro Accelerator Center for Energy Research. Brookhaven è uno degli unici due posti nella nazione che ospita apparecchiature che consentono esperimenti di radiolisi a impulsi.
“È molto raro che tu possa ottenere una comprensione completa di un ciclo catalitico completo”, ha detto il chimico di Brookhaven Dmitry Polyansky, coautore dell’articolo. “Queste reazioni passano attraverso molti passaggi, alcuni dei quali sono molto veloci e non possono essere facilmente osservati”.
Blakemore e i suoi collaboratori hanno fatto la scoperta studiando un catalizzatore basato su un complesso pentametilciclopentadienil rodio, che è [Cp*Rh] in breve. Si sono concentrati sul ligando Cp* (pronunciato CP-“stella”) abbinato al raro metallo rodio a causa di suggerimenti provenienti da lavori precedenti che mostravano che questa combinazione sarebbe stata adatta per il lavoro.
“Il nostro sistema di rodio si è rivelato un buon bersaglio per la radiolisi del polso”, ha detto Blakemore. “I ligandi Cp*, come vengono chiamati, sono familiari alla maggior parte dei chimici organometallici, e in realtà chimici di ogni genere. Sono usati per supportare molti catalizzatori e possono stabilizzare una varietà di specie coinvolte nei cicli catalitici. Una scoperta chiave di questo documento fornisce nuove informazioni su come il ligando Cp* possa essere intimamente coinvolto nella chimica dell’evoluzione dell’idrogeno”.
Ma Blakemore ha sottolineato che i risultati potrebbero portare ad altri processi chimici migliorati oltre alla produzione di idrogeno pulito.
“Nel nostro lavoro, speriamo che i chimici vedano uno studio su come un ligando comune, Cp*, possa consentire una reattività insolita”, ha detto il ricercatore della KU. “Questa insolita reattività è rilevante per la storia dell’idrogeno, ma in realtà è più grande di questa perché Cp * si trova in così tanti catalizzatori diversi. I chimici normalmente pensano che i catalizzatori siano basati su metalli. In questo modo di pensare, se stai facendo una nuova molecola, il metallo, è l’attore chiave che unisce le parti costitutive. Il nostro articolo mostra che non è sempre così. Cp* può essere coinvolto nell’unione dei pezzi per formare i prodotti”.
Blakemore ha affermato di sperare che questo articolo possa essere un’apertura che porti a miglioramenti in altri catalizzatori e sistemi che si basano su ligandi Cp*. La svolta, che è stata sostenuta dalla National Science Foundation e dall’Office of Science del DOE, potrebbe applicarsi in modo più ampio alla chimica industriale. Blakemore sta ora lavorando sull’applicazione di tecniche come quelle utilizzate in questo lavoro allo sviluppo di nuovi approcci al riciclaggio dei combustibili nucleari e alla manipolazione delle specie di attinidi.
Anche gli studenti della KU a livello universitario e universitario sono stati coinvolti nella ricerca che ha sostenuto la svolta.
“Questo progetto è stato un veicolo di formazione molto importante per gli studenti”, ha affermato Blakemore. “Il dottorando Wade Henke, il primo autore, è ora all’Argonne National Laboratory come postdoc. Il dottorando Yun Peng è il secondo autore e ha dato il via al lavoro congiunto con Brookhaven; entrambi hanno ora terminato il loro dottorato di ricerca Anche gli studenti universitari hanno contribuito a questo progetto nel corso degli anni, fornendo nuovi complessi e approfondimenti che abbiamo utilizzato per inquadrare la storia emersa in questo scritto.
“Tutto sommato, considero questo un progetto di successo e uno che è stato un vero lavoro di squadra nel corso degli anni”.
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