Usar marcos organometálicos para ayudar a crear aplicaciones energéticas más eficientes
Los marcos organometálicos (MOM) son materiales porosos definidos por iones metálicos o grupos inorgánicos unidos mediante enlazadores orgánicos rígidos. Gracias a sus superficies sin precedentes, la capacidad de ser modificados y la construcción modular que permite la replicación de características clave de enzimas naturales, estos materiales podráin desempeñar un papel importante en el almacenamiento y la conversión de energía. El desafío, sin embargo, es averiguar cómo aprovechar mejor los MOM para su uso con aplicaciones de energía sostenible, un desafío que ha aceptado el proyecto financiado con fondos europeos Supramol (Towards Artificial Enzymes: Bio-inspired Oxidations in Photoactive Metal-Organic Frameworks). «Mediante el aprovechamiento de unidades constitucionales de recolección de luz, pretendemos desarrollar MOM que usen la fotoabsorción para desencadenar la transferencia de electrones necesaria para activar el proceso catalítico» afirma Wolfgang Schmitt, investigador principal del proyecto y catedrático de Química en el Trinity College de Dublín. Según Schmitt, el objetivo final es proporcionar una prueba de concepto del desarrollo de sistemas fotocatalizadores capaces de catalizar la reacción altamente endergónica de oxidación del H2O. «Hacer esto supondría un gran avance y un paso significativo hacia la aplicación de conceptos energéticos basados en el hidrógeno y sostenibles», añade el investigador.
Obtención de diversos resultados importantes
Aunque el trabajo está aún en curso, este proyecto financiado por el Consejo Europeo de Investigación ya ha logrado varios resultados importantes. Por ejemplo, los investigadores pudieron catalizar la oxidación del H2O utilizando una especie bioinspirada a base de manganeso con características estructurales similares al del fotosistema II (FS-II). El FS II se halla en la membrana tilacoidal de plantas, algas y cianobacterias y es el primer complejo proteico en las reacciones fotodependientes de la fotosíntesis oxigénica. «Este enfoque podría abrir la puerta a nuevas vías convencionales para desarrollar catalizadores efectivos para tecnologías de conversión energética “solar-a-combustible” directa», explica Schmitt. El proyecto también creó MOM altamente porosos en los que las unidades catalíticamente activas están unidas a través de metaloligandos basados en rutenio que captan la luz. «Cabe destacar que el sistema se puede sintetizar electroquímicamente a partir de soluciones reactivas altamente diluidas y ensamblarse directamente en minutos sobre la superficie de electrodos», destaca Schmitt. Con estudios fotofísicos, los investigadores confirmaron que los atributos de recolección de luz de los metaloligandos de rutenio-piridina se mantienen en los MOM. «Esta característica es fundamental para facilitar la rápida transferencia de energía y electrones necesaria para catalizar eficientemente la reacción de oxidación del agua u otras transformaciones relacionadas», añade Schmitt. Otros resultados clave incluyen el descubrimiento de un método sintético para jaulas moleculares esféricas con grandes diámetros de sección transversal y el descubrimiento de materiales con altas afinidades por las moléculas gaseosas de CO2.
Inspirar nuevos proyectos de investigación colaborativa
El proyecto ha conseguido desarrollar procesos sintéticos para generar conjuntos de materiales altamente funcionales y estructuralmente adecuados. «Algunos de esos materiales son fotoactivos», explica Schmitt. «Otros pueden ser sintetizados en minutos para formar, por ejemplo, electrodos directamente en la superficie». Ahora, los investigadores están usando esos compuestos para desarrollar dispositivos fotoelectrocatalíticos que puedan usarse en diversas transformaciones redox foto/electrocatalíticas, incluida la oxidación del agua, la reducción del CO2 y la transformación de reactivos orgánicos. «Los materiales desarrollados durante el proyecto Supramol inspirarán nuevos proyectos de investigación colaborativa», concluye Schmitt. «Esto podría incluir no solo investigaciones sobre las nuevas relaciones entre estructura y reactividad, sino también planteamientos ascendentes de MOM con propiedades fisicoquímicas mejoradas que vayan más allá de la catálisis de oxidación del agua».
Palabras clave
Supramol, marcos organometálicos, energía sostenible, metal, materiales, almacenamiento de energía, proceso catalítico, sistemas fotocatalíticos, hidrógeno
