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Fundamental and Applied Science on Molecular Redox-Catalysts of Energy Relevance in Metal-Organic Frameworks

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Unas estructuras organometálicas para electrolizadores mejoran el rendimiento de sus reacciones químicas

Los electrolizadores emplean corrientes eléctricas para disociar el agua en hidrógeno y oxígeno, y además pueden reducir el dióxido de carbono, lo que los convierte en una tecnología clave para el Pacto Verde Europeo. El equipo del proyecto MOFcat desarrolló un electrolizador basado en marcos organometálicos que mejoran el rendimiento del proceso.

Investigación fundamental

Los marcos organometálicos (MOM, o MOF por sus siglas en inglés) son materiales cristalinos porosos de moléculas orgánicas («enlazadores») que se unen a grupos de iones metálicos para crear estructuras tridimensionales. Estas pequeñas estructuras, con un tamaño de aproximadamente cien micrómetros, están ordenadas, son altamente modulares y forman materiales con propiedades muy heterogéneas. Se han empleado para mejorar el rendimiento del almacenamiento de hidrógeno en cilindros de gas y se están estudiado por su potencial como mecanismo para cargar y administrar fármacos para tratamientos médicos. Recientemente, se han desarrollado MOM para que funcionen como electrocatalizadores con unidades catalíticas (una unidad de medida reconocida internacionalmente para cuantificar la actividad catalítica de enzimas) incluidas en los nodos metálicos, en las moléculas enlazadoras o incluso atrapadas en los poros de MOM. En el proyecto MOFcat (Fundamental and Applied Science on Molecular Redox-Catalysts of Energy Relevance in Metal-Organic Frameworks), financiado por el Consejo Europeo de Investigación, se examinaron electrolizadores basados en MOM que oxidan el agua y generan los electrones y protones necesarios para producir hidrógeno y reducir dióxido de carbono (CO2). En los MOM desarrollados, los nodos metálicos proporcionan un andamiaje que garantiza la integridad estructural y la durabilidad de los MOM, mientras que los enlazadores constituyen los centros para los catalizadores que favorecen las reacciones químicas deseadas. «Para lograr la electrocatálisis más eficiente, desarrollamos nuevos métodos para analizar el transporte de carga en estos materiales cristalinos —comenta Sascha Ott, director del proyecto en la Universidad de Uppsala—. Descubrimos que las limitaciones a menudo no eran causadas por la frecuencia de renovación de las unidades catalíticas, sino por restricciones en la velocidad de transporte de carga eléctrica a través de los MOM».

Las ventajas de los MOM

Los MOM son materiales con un alto grado de organización, por lo que tienen una ventaja notable sobre los métodos basados en soluciones donde no se puede controlar el catalizador. La colocación precisa del catalizador dentro del MOM permite interacciones controladas y específicas del sitio que mejoran su rendimiento. El equipo de MOFcat desarrolló una plataforma fotoelectroquímica que emplea la energía lumínica para acelerar transformaciones químicas. Esta nueva metodología se puede aplicar tanto a la producción de combustible como a la catálisis fotorredox orgánica. A fin de demostrar esta última, se emplearon MOM para revestir semiconductores que, al ser iluminados, proporcionaban energía eléctrica para llevar a cabo transformaciones químicas. A continuación, el equipo fabricó varios materiales de electrodos basados en MOM. Uno de estos materiales, denominado «UU-100», se sintetizó utilizando cobalto, un compuesto metálico relativamente abundante. El UU-100 generó hidrógeno durante dieciocho horas sin disminuir su actividad catalítica. «La incorporación de catalizadores de cobalto molecular en el MOM favoreció que la renovación de hidrógeno fuera aproximadamente tres órdenes de magnitud mayor que la de catalizadores en disoluciones homogéneas», explica Ott. La caracterización de los materiales se realizó sobre todo con técnicas electroquímicas, a veces combinadas con espectroscopía ultravioleta-visible. Por ejemplo, se hizo crecer un MOM en un electrodo transparente en el que los enlazadores cambian de color tras su reducción electroquímica, lo que posibilita observar el transporte temporal de carga a través de la película.

Tecnología facilitadora

La plataforma de MOFcat ofrece una tecnología más eficiente y más limpia que muchas alternativas. Por ejemplo, en la catálisis fotorredox, los denominados reactivos químicos de sacrificio que generan los electrones y equivalentes de oxidación necesarios para la catálisis permanecen en la mezcla como productos químicos de desecho. Esto se puede evitar utilizando la plataforma de MOFcat. La química molecular precisa de MOFcat también puede ajustar la reactividad del catalizador, lo que reduce el CO2 y proporciona al mismo tiempo mayores rendimientos con menos subproductos que, de otro modo, serían difíciles y caros de eliminar. Otro ejemplo podría ser la reducción electroquímica del CO2 para la captura de carbono o la generación de productos como el metanol o el etileno, un proceso que actualmente no es muy selectivo. Esto es especialmente cierto cuando se emplean óxidos metálicos como catalizadores. «Nuestra tecnología de electrocatálisis basada en MOM electroquímicos podría, en la teoría, instalarse en fuentes emisoras de CO2, como centrales eléctricas alimentadas con combustibles fósiles o refinerías de petróleo, para reducir sus emisiones de CO2», concluye Ott. El equipo busca actualmente más apoyos para seguir probando sus MOM en diferentes diseños de electrolizadores y desarrollar un prototipo para sus MOM catalíticos.

Palabras clave

MOFcat, marco organometálico, MOM, electrocatálisis, catalítica, hidrógeno, dióxido de carbono, CO2, fotorredox, electrodo, luz

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