Pasando protones<\/strong><\/p>\nLa transferencia de electrones acoplados a protones ocurre cuando una mol\u00e9cula, a menudo agua o un \u00e1cido, transfiere un prot\u00f3n a otra mol\u00e9cula o a la superficie de un electrodo, lo que estimula al aceptor de protones para que tambi\u00e9n tome un electr\u00f3n. Este tipo de reacci\u00f3n se ha aprovechado para muchas aplicaciones energ\u00e9ticas.<\/p>\n
\u201cEstas reacciones de transferencia de electrones acoplados a protones son omnipresentes. A menudo son pasos clave en los mecanismos catal\u00edticos y son particularmente importantes para los procesos de conversi\u00f3n de energ\u00eda, como la generaci\u00f3n de hidr\u00f3geno o la cat\u00e1lisis de pilas de combustible\u201d, dice Surendranath.<\/p>\n
En un electrolizador generador de hidr\u00f3geno, este enfoque se utiliza para eliminar protones del agua y agregar electrones a los protones para formar gas hidr\u00f3geno. En una pila de combustible, la electricidad se genera cuando se eliminan protones y electrones del gas hidr\u00f3geno y se a\u00f1aden al ox\u00edgeno para formar agua.<\/p>\n
La transferencia de electrones acoplados a protones es com\u00fan en muchos otros tipos de reacciones qu\u00edmicas, por ejemplo, la reducci\u00f3n de di\u00f3xido de carbono (la conversi\u00f3n de di\u00f3xido de carbono en combustibles qu\u00edmicos mediante la adici\u00f3n de electrones y protones). Los cient\u00edficos han aprendido mucho sobre c\u00f3mo ocurren estas reacciones cuando los aceptores de protones son mol\u00e9culas, porque pueden controlar con precisi\u00f3n la estructura de cada mol\u00e9cula y observar c\u00f3mo pasan electrones y protones entre ellas. Sin embargo, cuando la transferencia de electrones acoplados a protones ocurre en la superficie de un electrodo, el proceso es mucho m\u00e1s dif\u00edcil de estudiar porque las superficies de los electrodos suelen ser muy heterog\u00e9neas, con muchos sitios diferentes a los que potencialmente podr\u00eda unirse un prot\u00f3n.<\/p>\n
Para superar ese obst\u00e1culo, el equipo del MIT desarroll\u00f3 una forma de dise\u00f1ar superficies de electrodos que les brinda un control mucho m\u00e1s preciso sobre la composici\u00f3n de la superficie del electrodo. Sus electrodos consisten en l\u00e1minas de grafeno con compuestos org\u00e1nicos que contienen anillos adheridos a la superficie. Al final de cada una de estas mol\u00e9culas org\u00e1nicas hay un ion de ox\u00edgeno cargado negativamente que puede aceptar protones de la soluci\u00f3n circundante, lo que hace que un electr\u00f3n fluya desde el circuito hacia la superficie de grafito.<\/p>\n
\"Podemos crear un electrodo que no consista en una amplia diversidad de sitios, sino que sea una matriz uniforme de un solo tipo de sitios muy bien definidos, cada uno de los cuales puede unirse a un prot\u00f3n con la misma afinidad\", dice Surendranath. \"Dado que tenemos estos sitios muy bien definidos, lo que esto nos permiti\u00f3 hacer fue realmente desentra\u00f1ar la cin\u00e9tica de estos procesos\".<\/p>\n
Usando este sistema, los investigadores pudieron medir el flujo de corriente el\u00e9ctrica a los electrodos, lo que les permiti\u00f3 calcular la tasa de transferencia de protones al ion ox\u00edgeno en la superficie en equilibrio (el estado en el que las tasas de donaci\u00f3n de protones a la superficie) y la transferencia de protones de regreso a la soluci\u00f3n desde la superficie son iguales. Descubrieron que el pH de la soluci\u00f3n circundante tiene un efecto significativo en esta tasa: las tasas m\u00e1s altas se produjeron en los extremos de la escala de pH: pH 0, el m\u00e1s \u00e1cido, y pH 14, el m\u00e1s b\u00e1sico.<\/p>\n
Para explicar estos resultados, los investigadores desarrollaron un modelo basado en dos posibles reacciones que pueden ocurrir en el electrodo. En el primero, los iones hidronio (H3<\/sub>oh+<\/sup>), que se encuentran en alta concentraci\u00f3n en soluciones fuertemente \u00e1cidas, liberan protones a la superficie de iones de ox\u00edgeno, generando agua. En el segundo, el agua entrega protones a los iones de ox\u00edgeno de la superficie, generando iones de hidr\u00f3xido (OH–<\/sup>), que est\u00e1n en alta concentraci\u00f3n en soluciones fuertemente b\u00e1sicas.<\/p>\nSin embargo, la velocidad a pH 0 es aproximadamente cuatro veces m\u00e1s r\u00e1pida que la velocidad a pH 14, en parte porque el hidronio cede protones a una velocidad m\u00e1s r\u00e1pida que el agua.<\/p>\n
Una reacci\u00f3n para reconsiderar<\/strong><\/p>\nLos investigadores tambi\u00e9n descubrieron, para su sorpresa, que las dos reacciones tienen velocidades iguales, no a pH neutro 7, donde las concentraciones de hidronio e hidr\u00f3xido son iguales, sino a pH 10, donde la concentraci\u00f3n de iones de hidr\u00f3xido es 1 mill\u00f3n de veces mayor que la del hidronio. El modelo sugiere que esto se debe a que la reacci\u00f3n directa que implica la donaci\u00f3n de protones del hidronio o el agua contribuye m\u00e1s a la velocidad general que la reacci\u00f3n inversa que implica la eliminaci\u00f3n de protones mediante agua o hidr\u00f3xido.<\/p>\n
Los modelos existentes de c\u00f3mo ocurren estas reacciones en las superficies de los electrodos suponen que las reacciones hacia adelante y hacia atr\u00e1s contribuyen igualmente a la velocidad general, por lo que los nuevos hallazgos sugieren que es posible que sea necesario reconsiderar esos modelos, dicen los investigadores.<\/p>\n
\"\u00c9sa es la suposici\u00f3n predeterminada: que las reacciones directa e inversa contribuyen por igual a la velocidad de reacci\u00f3n\", dice Surendranath. \"Nuestro hallazgo es realmente revelador porque significa que la suposici\u00f3n que la gente utiliza para analizar todo, desde la cat\u00e1lisis de las pilas de combustible hasta la evoluci\u00f3n del hidr\u00f3geno, puede ser algo que debamos revisar\".<\/p>\n
Los investigadores ahora est\u00e1n usando su configuraci\u00f3n experimental para estudiar c\u00f3mo agregar diferentes tipos de iones a la soluci\u00f3n electrol\u00edtica que rodea el electrodo puede acelerar o disminuir la velocidad del flujo de electrones acoplados a protones.<\/p>\n
\"Con nuestro sistema, sabemos que nuestros sitios son constantes y no se afectan entre s\u00ed, por lo que podemos leer qu\u00e9 efecto tiene el cambio en la soluci\u00f3n en la reacci\u00f3n en la superficie\", dice Lewis.<\/p>\n
La investigaci\u00f3n fue financiada por la Oficina de Ciencias Energ\u00e9ticas B\u00e1sicas del Departamento de Energ\u00eda de EE. UU.<\/p>\n<\/p><\/div>\n
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