Els òxids metàl·lics quirals milloren la reacció d'evolució d'oxigen per a la generació sostenible d'hidrogen

13th març 2025 – Un equip d’investigadors de l’Institut d’Investigacions Químiques de Catalunya (ICIQ), dirigit pel Prof. JR Galán-Mascarós, i en col·laboració amb la Universitat Rovira i Virgili (URV) (Espanya), l’ Institut de Materials Avançats (INAM) (Espanya) i l’ École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) (Suïssa), han fet una important contribució a l’electrolisi de l’aigua. El seu estudi , publicat a Chemical Science i seleccionat com a ChemSci Pick of the Week , fa llum sobre el paper de la quiralitat en la millora de la reacció d’evolució de l’oxigen (OER), un pas clau en la producció d’hidrogen.

L’electròlisi de l’aigua, que divideix l’aigua en hidrogen i oxigen, utilitzant energies renovables, és una tecnologia crucial per a la descarbonització de la indústria química. No obstant això, la seva adopció generalitzada es veu obstaculitzada per les ineficiències en els REA, una reacció que requereix una gran aportació d’energia i funciona en condicions dures. Per abordar-ho, els investigadors han explorat la polarització de l’espín mitjançant l’efecte de selectivitat d’espín induïda per quirals (CISS), que pot millorar la cinètica de la reacció influint en els mecanismes de transferència d’electrons.

Selectivitat de spin induïda per quiral en electrocatàlisi

L’efecte CISS es refereix al fenomen en què l’espín electrònic i la quiralitat molecular interactuen, donant lloc al transport de càrrega polaritzada per espín. En l’electrocatàlisi, això significa que els catalitzadors quirals poden filtrar selectivament els spins electrònics augmentant l’eficiència de la reacció cap a la molècula paramagnètica d’O ₂ . Aprofitant aquest efecte, els científics poden millorar la cinètica OER i fer que l’electròlisi sigui més eficient energèticament per a aplicacions industrials.

“Mitjançant el seguiment de l’electroquímica a través del dicroisme circular in situ , proporcionem un enfocament sense precedents per establir un enllaç directe entre l’electrocatàlisi (OER) i l’activitat òptica intrínseca dels òxids metàl·lics de Fe-Ni enantiopures. Aquest mètode ofereix una visió crucial de les sinergies clau entre els centres catalítics quirals i els intermedis de reacció en condicions alcalines, Felipe Ada”, va dir el Dr. estudiar.

Espectroelectroquímica operant per conèixer els mecanismes de reacció

En aquest estudi, els investigadors van utilitzar l’espectroelectroquímica operant (SEC), entre altres tècniques, per abordar la interacció entre l’activitat òptica dels òxids metàl·lics de Fe-Ni enantiopures i la seva activitat OER millorada. SEC és una tècnica potent que permet el seguiment en temps real de les reaccions catalitzadores en condicions de treball, proporcionant informació sobre el mecanisme de reacció. Mitjançant aquest mètode, l’equip va poder detectar la participació d’intermedis quirals durant el procés electrocatalític, donant suport a la influència de l’efecte CISS en la millora de l’eficiència OER. Aquest enfocament experimental va ajudar a superar la bretxa entre les prediccions teòriques i les observacions pràctiques, oferint proves de la implicació directa de la quiralitat en les reaccions electrocatalítiques.

“Els nostres resultats revelen la possibilitat d’explotar la millora de l’efecte CISS en electrocatalitzadors d’òxids intrínsecament quirals en condicions d’oxidació, sense necessitat de decoració orgànica (funcionalització quiral clàssica) que és propensa a la degradació en les dures condicions d’OER. Aquest descobriment obre noves oportunitats per explotar materials inorgànics quirals intrínsecs a la indústria d’electrolitzadors. fenomen de l’electrocatàlisi”. va dir el professor JR Galan-Mascaros, líder del grup a l’ICIQ.

Els resultats marquen un gran pas endavant en la comprensió de com la quiralitat influeix en l’electrocatàlisi, superant la manca d’evidència experimental en aquest camp. En eliminar la necessitat de decoracions moleculars orgàniques, que sovint pateixen problemes d’estabilitat, l’estudi confirma que l’efecte CISS es pot aconseguir intrínsecament dins dels catalitzadors inorgànics. Aquest descobriment obre el camí per a una producció d’hidrogen electrolític més eficient i rendible, reforçant el potencial dels materials quirals per avançar en solucions energètiques sostenibles.

Publicació de referència
Evidència operativa sobre la reacció d’evolució d’oxigen millorada per la quiralitat en electrocatalitzadors intrínsecament quirals
Garcés-Pineda, FA; Yu, J.; Mesa, CA; Plana-Ruiz, S.; Ruano, D.; Liang, Y.; Lingenfelder, M.; Giménez, S.; Galán-Mascarós, JR
Chem. Ciència. 2025
DOI: 10.1039/D4SC07927B