Puentes de hidrógeno interfaciales: Un arma de doble filo para la evolución fotocatalítica de hidrógeno

La evolución fotocatalítica de hidrógeno a partir del agua es una tecnología clave para lograr la producción sostenible de hidrógeno. Sin embargo, el impacto directo de la estructura microscópica de las moléculas de agua interfacial en la reactividad fotocatalítica sigue siendo inexplorado. En este estudio, se descubrieron los papeles cruciales de la estructura y la dinámica de los enlaces de hidrógeno interfacial, así como el entorno óptimo de agua interfacial para promover la evolución de H₂. Estos hallazgos proporcionan ideas a nivel molecular que pueden guiar el diseño de condiciones de agua interfacial para mejorar el rendimiento fotocatalítico.

    La producción de hidrógeno mediante la división fotocatalítica del agua es una solución sostenible para la energía de próxima generación al utilizar la energía lumínica a temperatura ambiente. Sin embargo, el diseño de fotocatalizadores innovadores sigue siendo un desafío debido a una comprensión limitada a nivel molecular de las moléculas de agua interfacial y sus redes de enlaces de hidrógeno. Revelar las propiedades fisicoquímicas de estas moléculas de agua interfacial es fundamental para optimizar la eficiencia fotocatalítica y lograr avances en la producción sostenible de hidrógeno.

    Los investigadores (Zhongqiu Lin et al.) dirigidos por Toshiki Sugimoto, profesor asociado del Instituto de Ciencia Molecular / La Universidad de Posgrado para Estudios Avanzados, SOKENDAI, han investigado exhaustivamente el impacto de las redes de enlaces de hidrógeno interfacial utilizando varios fotocatalizadores de TiO₂ y han descubierto un papel crucial de la estructura/dinámica de los enlaces de hidrógeno interfacial y el entorno óptimo de agua interfacial para la evolución de H₂. Controlaron el grosor del agua adsorbida desde sub-monocapa hasta multicapas ajustando con precisión la presión de vapor de agua. Con este enfoque, lograron demostrar directamente la correlación entre la tasa de formación de H₂ y la estructura microscópica de las redes de enlaces de hidrógeno utilizando espectrometría de masas en tiempo real y espectroscopia de absorción infrarroja (Figura 1). Independientemente de la estructura cristalina del fotocatalizador TiO₂ (brookita, anatasa o una mezcla de anatasa y rutilo), observaron un aumento lineal en la tasa de formación de H₂ con la adsorción de agua hasta tres capas (Figura 1a), lo que indica que las moléculas de agua reactivas están presentes no solo en la primera capa adsorbida, sino también en varias capas superpuestas. Sin embargo, la tasa de formación de H₂ pasó a disminuir drásticamente cuando más de tres capas de agua cubrieron la superficie de TiO₂ (Figura 1a). En esta situación, los espectros infrarrojos indicaron claramente dos tipos distintos de agua adsorbida en la superficie de TiO₂: agua interfacial y agua similar al líquido (Figura 1b). Debido a las interacciones de muchos cuerpos entre las moléculas de agua adsorbida, el agua similar al líquido adsorbida en más de tres capas condujo a un fortalecimiento del enlace de hidrógeno interfacial (Figura 1c), lo que dificulta la transferencia de huecos acoplada a protones interfacial y disminuyó drásticamente la tasa de formación de H₂. Con base en estas ideas microscópicas, su estudio sugiere que depositar tres capas de agua en un entorno de vapor de agua es óptimo para la evolución fotocatalítica de hidrógeno (Figura 2). 

    La fotocatálisis ha sido estudiada ampliamente durante más de medio siglo, predominantemente en entornos de solución acuosa. En este contexto, este estudio representa un posible cambio de paradigma, que demuestra la eficacia de los entornos de vapor de agua en comparación con los sistemas de reacción en fase líquida tradicionales. Estos hallazgos abren nuevas vías para el diseño y la ingeniería a nivel molecular de agua interfacial hacia el desarrollo de sistemas fotocatalíticos más innovadores para la producción de energía renovable de próxima generación.

Información del documento：
Autores: Zhongqiu Lin, Hikaru Saito, Hiromasa Sato y Toshiki Sugimoto
Nombre del diario: Journal of the American Chemical Society
Título del diario: “Impactos positivos y negativos de los enlaces de hidrógeno interfacial en la evolución fotocatalítica de hidrógeno”
DOI: 10.1021/jacs.4c04271