Las estructuras orgánicas covalentes (COF) son menos estables como catalizadores de lo que se pensaba anteriormente, pero siguen siendo muy activas. Los COF son catalizadores de diseño prometedores, por ejemplo para la producción sostenible de productos químicos y combustibles. Sus propiedades, tanto en términos de estructura molecular como de composición química, se pueden ajustar específicamente para catalizar las reacciones deseadas en función de su capacidad de sintonización precisa. Sin embargo, investigadores de la Universidad del Ruhr en Bochum, Alemania, y del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido (MPI-FKF) y de Materiales Sostenibles (MPI-SusMat) han demostrado que la actividad catalítica no la producen los propios COF. En cambio, los iones de cobalto se disocian del andamio y se transforman en nanopartículas oxídicas que en realidad facilitan la catálisis. El equipo informa los resultados en un diario. Ciencia avanzadaPublicado en línea el 26 de noviembre de 2024.
“Con los conocimientos adquiridos en este estudio, podremos diseñar catalizadores a partir de estructuras orgánicas y nanopartículas que ya se hayan diseñado”, afirma la profesora Kristina Tschulek de la Universidad del Ruhr en Bochum y del grupo de excelencia RESOLV que son significativamente más eficientes que los COF. “. con la idea del estudio junto con la Prof. Bettina Lotus del MPI-FKF. “Como electroquímica, siempre me he preguntado cómo se produce realmente la actividad catalítica de los COF”, dice Kristina Tskulik; quería saber más.
¿Estable en condiciones de reacción severas?
El grupo de Bochum dirigido por Kristina Tskulik inició una colaboración con investigadores de Stuttgart dirigidos por Bettina Lutes, expertos en la síntesis de COF. Ambos equipos forman parte del Centro de Investigación Colaborativa 1333 de la Universidad de Stuttgart. Los investigadores de Pouya Hosseini, Andrés Rodríguez-Camargo y Liang Yao analizaron la actividad catalítica de varios COF que contienen cobalto en la llamada reacción de evolución de oxígeno. Esta reacción ocurre en muchas reacciones industriales importantes, por ejemplo en la electrólisis del agua para producir hidrógeno. “Las condiciones de reacción en la reacción de desprendimiento de oxígeno son duras”, explica Kristina Tskulik. “En realidad, sólo hay un catalizador, el óxido de iridio, que permanece estable”. Sin embargo, un número cada vez mayor de estudios ha informado que los COF también son estables a largo plazo en esta respuesta.
En el primer paso, el equipo de investigación analizó electroquímicamente los COF durante la reacción de desprendimiento de oxígeno. De hecho, la transformación se produjo con una gran actividad durante varios ciclos. Sin embargo, Christina Tskulik ya había visto las curvas corriente-potencial registradas desde una perspectiva diferente. Como parte del Centro de Investigación Colaborativa 247, el científico trabaja desde hace siete años con nanopartículas de óxido de cobalto como catalizadores que producen exactamente esta forma de curva. Por lo tanto, el grupo se embarcó en una caracterización del material más compleja, con el apoyo de un equipo de investigadores del MPI-SusMat dirigido por Christina Schieve, experta en microscopía electrónica.
Los andamios evitan que las nanopartículas se aglomeren.
Estos análisis revelaron que las nanopartículas de cobalto oxídico se formaron a partir de compuestos de andamio que contenían cobalto, que manejaban la función catalítica. Este cambio ocurre inmediatamente cuando el electrodo se sumerge en la solución básica. “Sin embargo, los soportes porosos de COF siguen teniendo una función importante”, afirma Tschulik, explicando otro resultado del análisis. “Proporcionan un entorno de reacción adecuado y mantienen las nanopartículas en su lugar. Normalmente, las partículas se agregan, lo que significa que tienen menos acceso a la superficie del catalizador y se vuelven inactivas”.
En su publicación, los autores también ofrecen sugerencias sobre cómo se pueden diseñar futuros COF cargados de catalizador de manera específica para que permanezcan estables y catalíticamente activos incluso en condiciones de reacción duras.
