Las estructuras orgánicas covalentes (COF) son menos estables de lo que se pensaba anteriormente como catalizadores, pero son muy activas. Los COF son catalizadores de diseño prometedores, por ejemplo para la producción sostenible de productos químicos y combustibles. Sus propiedades se pueden ajustar con mucha precisión para catalizar una reacción deseada en función de su capacidad de ajuste precisa tanto en la estructura molecular como en la composición química. Sin embargo, investigadores de la Universidad Ruhr de Bochum en Alemania y del Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido (MPI-FKF) y de Materiales Sostenibles (MPI-Susmat) han demostrado que la actividad catalítica no es generada por 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 describe los resultados en la revista. 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 sean significativamente más eficientes que los COF diseñados anteriormente”, afirma la profesora Kristina Schulick de la Universidad del Ruhr en Bochum y del Clúster de Excelencia RESOLV. Sobre la idea del estudio en colaboración con la profesora Bettina Lotsch del MPI-FKF. “Como electroquímica, siempre me ha intrigado un poco cómo se produce realmente la actividad catalítica de los COF”, dice Christina Shulik, que quería saber más.
¿Estable en condiciones de reacción duras?
El grupo de Bochum, dirigido por Christina Schullick, ha iniciado una colaboración con investigadores de Stuttgart, dirigidos por Bettina Lotsch, especializados en la síntesis de COF. Ambos grupos forman parte del Centro de Investigación Colaborativa 1333 de la Universidad de Stuttgart. Los investigadores de Paua Hosseini, Andrés Rodríguez-Camargo y Liang Yao han analizado la actividad catalítica de varios COF que contienen cobalto en la llamada reacción de evolución de oxígeno. Esta reacción ocurre en muchas reacciones de importancia industrial, como la electrólisis del agua para producir hidrógeno. “Las condiciones de reacción para la evolución del oxígeno son duras”, explica Christina Shulik. “En realidad, sólo hay un catalizador, el óxido de iridio, que es estable”. Sin embargo, un número cada vez mayor de estudios ha informado que los COF 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, Kristina Tschulik ya ha visto las curvas de potencial actuales registradas en un contexto diferente. Como parte del Centro de Investigación Colaborativa 247, los científicos han estado trabajando durante siete años con nanopartículas de óxido de cobalto como catalizadores que dan forma precisa a esta 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 Scu, especializada en microscopía electrónica.
Los andamios evitan que las nanopartículas se agreguen
Estos análisis muestran que las nanopartículas de cobalto oxídico se forman a partir de compuestos de soporte que contienen cobalto, que asumen la función catalítica. Esta transformación ocurre inmediatamente cuando el electrodo se sumerge en la solución básica. “Sin embargo, los andamios porosos de COF todavía tienen un propósito importante”, dijo Tschulik, explicando otro resultado del análisis. “Proporcionan un entorno de reacción adecuado y mantienen las nanopartículas en su lugar. Normalmente, las partículas tienden a agregarse, lo que significa que su superficie catalítica es menos accesible y se vuelven inactivas”.
En su publicación, los autores también ofrecen sugerencias sobre cómo se pueden producir COF cargados de catalizador en objetivos futuros para que permanezcan estables y catalíticamente activos incluso en condiciones de reacción duras.