Las vías de reacción para la evolución del oxígeno promovidas por el catalizador de cobalto

Área de la Ciencia:

• La catálisis es la catálisis.
• Ciencia de los materiales Ciencia de los materiales.
• Química computacional es la química computacional.

Sus antecedentes:

• Los catalizadores eficientes de la evolución del oxígeno son cruciales para las tecnologías de energía renovable.
• Se buscan metales de transición abundantes en la Tierra para el diseño sostenible de catalizadores.
• Los mecanismos moleculares de la oxidación del agua aún no se comprenden completamente.

Objetivo del estudio:

• Para dilucidar las vías moleculares de la evolución del oxígeno para un catalizador basado en cobalto (CoCat).
• Identificar los principales intermedios y estados de transición en el ciclo catalítico.
• Para comparar el mecanismo CoCat con los complejos naturales que evolucionan con oxígeno.

Principales métodos:

• Ab initio DFT+U cálculos de dinámica molecular.
• Modelado de modelos de clúster en solución de agua explícita.
• Análisis de las vías de reacción y las barreras de activación.

Principales resultados:

• Identificó el movimiento rápido de los protones y las unidades Co-oxo de tipo cubano como críticas para la formación de enlaces O-O.
• Determinación de la formación de especies de Co(IV) -oxilo como el paso clave de activación.
• Se observó el acoplamiento geminal de especies oxilo con átomos de oxígeno coordinados.
• Encontró que el ataque nucleófilo directo por parte de las moléculas de agua era cinéticamente desfavorable.

Conclusiones:

• El mecanismo CoCat se basa en dinámicas de protones interfaciales específicas y estructuras de cobalto-oxo.
• Los intermediarios de Co(IV) -oxilo juegan un papel fundamental en la activación del ciclo catalítico.
• El CoCat exhibe similitudes mecánicas con el complejo de evolución de oxígeno del Fotosistema II.