Fita assolida en materials moleculars híbrids per a la generació de combustible solar

22nd abril 2025 – Un estudi dirigit pel professor Antoni Llobet de l’ICIQ presenta una estratègia supramolecular que permet l’ús estable i eficient de catalitzadors d’oxidació molecular d’aigua en elèctrodes d’òxid conductor. Aquest enfocament aborda un repte de llarga data en el camp de la generació de combustible solar combinant l’activitat catalítica dels sistemes moleculars amb la robustesa dels materials basats en òxid.

Publicada recentment al Journal of the American Chemical Society , la investigació presenta un mètode per integrar catalitzadors moleculars en elèctrodes d’òxid sense pèrdua de rendiment.

«Hem dissenyat aquests sistemes per combinar l’eficiència dels catalitzadors moleculars amb la robustesa de les superfícies d’òxid, i ara hem trobat una manera de fer que funcionin junts de manera eficaç», va dir el professor Llobet.

La interfície supramolecular millora el rendiment

L’estratègia implica una bicapa autoassemblada composta per llargues cadenes d’alquil unides tant al catalitzador molecular com a la superfície d’òxid funcionalitzada. Aquesta disposició impedeix el contacte directe entre els dos components, alhora que permet la transferència d’electrons. També inclou un mediador de transferència d’electrons per accelerar el transport de càrrega entre l’elèctrode i el catalitzador.

«El nostre enfocament crea conjunts altament estables que mantenen el rendiment durant llargs períodes, fins i tot en condicions neutres», va dir Paula Tris-Marzo, primera autora de l’estudi.

La recerca se centra en un oligòmer basat en ruteni (Ru-tb12) que conté 26 cadenes d’alquil flexibles. Aquestes cadenes interactuen amb elèctrodes d’òxid modificats amb silanotrisolat d’alquil a través d’interaccions no covalents, donant lloc a un ànode molecular híbrid estable. El sistema va demostrar una activitat d’oxidació de l’aigua consistent a pH 7 durant més de 15 hores, amb densitats de corrent de 0,40 mA/cm², nombres de recanvi superiors a 33.800 i eficiències farádiques superiors al 92%.

Abordant les limitacions de les tecnologies de combustible solar

En comparació amb els sistemes només d’òxid, els ànodes híbrids requereixen significativament menys massa per aconseguir un rendiment comparable. La configuració evita problemes comuns com la dissolució del catalitzador, l’agregació i els canvis de fase.

L’oxidació de l’aigua és una reacció clau en la producció de combustibles solars mitjançant la divisió de l’aigua. Tot i que els catalitzadors d’oxidació molecular de l’aigua han demostrat una alta activitat, la seva integració en sistemes basats en òxids ha plantejat dificultats a causa de les pèrdues d’estabilitat i rendiment. Aquest estudi proporciona una prova de concepte que l’assemblatge supramolecular pot oferir una solució pràctica.

Publicació de referència

Ànodes moleculars per a l’oxidació electrocatalítica de l’aigua basats en bicapes autoassemblades impulsades per mediadors de transferència d’electrons
Tris-Marzo, P.; Veclani, D.; Venturini, A.; Martínez-Belmonte, M.; Gil-Sepulcre, M.; Llobet, A
J. Am. Chem. Soc. 2025 , 147 (15), 12686–12695
DOI: 10.1021/jacs.5c00489