La producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua se erige como un pilar fundamental en la transición energética. Sin embargo, su eficacia depende de catalizadores que sean tanto eficientes como estables en condiciones ácidas, los cuales han estado tradicionalmente basados en metales preciosos como el iridio y el platino. Un equipo del Centro Singular de Investigación en Química Biológica y Materiales Moleculares (CiQUS) de la Universidad de Santiago de Compostela (USC), liderado por la investigadora María Giménez-López, ha logrado un avance significativo hacia alternativas más sostenibles utilizando elementos abundantes.
Este trabajo, publicado en la prestigiosa revista Advanced Materials, revela que un mismo compuesto molecular puede funcionar como un “interruptor” catalítico, permitiendo elegir entre la producción de oxígeno o hidrógeno. El descubrimiento se centra en un material híbrido que combina un clúster de vanadio, conocido como polioxometalato, con nanotubos de carbono.
Un nuevo enfoque en la catálisis
“El ‘interruptor’ no reside en el clúster metálico en sí, sino en cómo están dispuestos los cationes orgánicos que lo acompañan”, explica Giménez-López. Cuando este material se mezcla físicamente con los nanotubos, los cationes TRIS? quedan atrapados dentro de la estructura cristalina. Este fenómeno dirige la reacción hacia la producción de oxígeno mediante un mecanismo especial de oxidación. En contraste, cuando se permite que el ensamblaje sea dirigido, los mismos cationes TRIS? se liberan y orientan hacia la superficie, actuando como una “esponja de protones”. Este simple cambio arquitectónico transforma el sistema en un catalizador excepcional para generar hidrógeno.
A nivel molecular, el clúster de vanadio actúa como un reservorio electrónico estable y reversible en ambos casos. La función final —ya sea oxígeno o hidrógeno— es determinada por los cationes TRIS?, que modulan el microentorno electroquímico local según su accesibilidad. Si están bloqueados, promueven la activación del agua para liberar oxígeno; si están libres y expuestos, capturan protones y facilitan su reducción a hidrógeno. Por lo tanto, el cambio funcional no proviene de alterar la composición química, sino de controlar la arquitectura supramolecular del ensamblaje.
Evidencias electroquímicas respaldan el hallazgo
Los datos electroquímicos corroboran este interruptor molecular. En su configuración para producir oxígeno, el material rivaliza con el iridio comercial; mientras que para hidrógeno, su eficiencia se aproxima a la del platino, considerado el estándar de referencia. Esta investigación forma parte del enfoque del grupo liderado por la Dra. Giménez-López en CiQUS, centrado en diseñar nuevos materiales para almacenamiento y conversión de energía. Aquí, el uso controlado de nanotubos de carbono como soportes inteligentes desempeña un papel crucial.
“La investigación establece que el interruptor catalítico es topológico y microambiental, no composicional”, enfatiza la investigadora. Este estudio no solo presenta un candidato prometedor para electrolizadores más sostenibles, sino que también propone un nuevo paradigma: la posibilidad de programar la reactividad de catalizadores moleculares mediante el control de su ensamblaje. Esto abre una vía racional para diseñar materiales multifuncionales, duraderos y basados en elementos abundantes.
Colaboraciones e implicaciones futuras
El trabajo contó con la colaboración del personal investigador del CICECO (Universidad de Aveiro) y se llevó a cabo en CiQUS, centro que recibe apoyo financiero por parte de la Unión Europea a través del Programa Galicia FEDER 2021-2027 y cuenta con el reconocimiento CIGUS otorgado por la Xunta de Galicia.
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