El hidrógeno se considera un actor clave en el sistema energético del futuro y, para producirlo de manera eficiente, es necesario tener un conocimiento profundo de los procesos relacionados, como la electrólisis del agua. Recientemente, un equipo de investigación del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros en Alemania y el Departamento de Química Yusuf Hamid de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido publicaron conjuntamente un estudio que por primera vez reveló un nuevo mecanismo de "autodisociación" de moléculas de agua bajo fuertes campos eléctricos a nivel molecular, mostrando que los campos eléctricos pueden revertir las "reglas de fuerza motriz" de las reacciones químicas tradicionales del agua.
En condiciones cotidianas, como en un vaso de agua estancada, las moléculas de agua ocasionalmente se disocian espontáneamente en iones de hidrógeno e iones de hidroxilo, pero este proceso es extremadamente raro. Según la termodinámica clásica, el hecho de que una reacción química pueda desarrollarse espontáneamente está determinado principalmente por dos factores: energía y entropía: el sistema tiende a disminuir en energía, pero también tiende a aumentar en entropía (desorden creciente). Para la autodisociación del agua en un entorno convencional, la reacción no reduce la energía ni genera mayor desorden, por lo que no es dominante ni en las dimensiones de "energía" ni de "entropía" y, por lo tanto, rara vez ocurre de forma espontánea.
El equipo de investigación señaló que dentro del dispositivo electroquímico, el fuerte entorno de campo eléctrico en el que se encuentran las moléculas de agua es completamente diferente de las condiciones diarias, por lo que la comprensión tradicional puede no ser válida. A través de simulaciones de dinámica molecular de alta precisión, descubrieron que cuando se aplica un campo eléctrico fuerte, la velocidad de reacción de autodisociación del agua puede aumentar significativamente. Sin embargo, la clave para impulsar este cambio no es "hacerlo más fácil" en términos de energía, sino una inversión fundamental del método de impulso de la entropía.
Bajo la acción de un fuerte campo eléctrico, las moléculas de agua se ven primero obligadas a organizarse en una red de enlaces de hidrógeno altamente ordenada, y el sistema general parece ser más "ordenado" que el agua líquida convencional. Una vez que se generan iones en este entorno, alterarán la estructura que originalmente fue "organizada a la fuerza" por el campo eléctrico, aumentando así el desorden del sistema. Las investigaciones muestran que este proceso desde el "orden ligado por el campo eléctrico" hasta el "desorden perturbado por los iones" se convierte en la principal fuerza impulsora de la entropía que promueve la autodisociación del agua bajo la intensidad del campo. En otras palabras, el efecto entrópico que resiste la reacción en condiciones de campo cero se convierte en un "refuerzo" para promover la reacción en un campo eléctrico fuerte.
Yair Litman, uno de los autores del artículo y líder del grupo de investigación del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros, dijo que en condiciones normales en la fase masiva, la autodisociación del agua siempre se ha considerado como una reacción típica "energéticamente desfavorable y entrópicamente obstaculizada". Sin embargo, en el fuerte campo eléctrico típico de los entornos electroquímicos, la misma reacción muestra un aspecto completamente diferente. A través del trabajo de simulación con su colaborador Angelos Michaelides, descubrieron que un fuerte campo eléctrico mejoraba significativamente la disociación del agua, y esta mejora no procedía de una barrera de energía reducida, sino del "flip-flop" en la entropía de la ruta de reacción.
Este estudio también reveló el importante impacto de los campos eléctricos en la acidez y alcalinidad del agua: bajo la acción de un fuerte campo eléctrico, el agua originalmente neutra (pH alrededor de 7) puede ser empujada a un rango fuertemente ácido, con un valor de pH tan bajo como alrededor de 3. Este resultado significa que bajo dispositivos electroquímicos o condiciones de polarización, la acidez del ambiente del agua cerca de la interfaz puede ser mucho mayor de lo predicho por los modelos tradicionales, afectando directamente las velocidades de reacción, la estabilidad del material y la comprensión mecanicista del proceso catalítico.
El coautor Michaelides señaló que estos hallazgos proponen un nuevo paradigma: al comprender y optimizar procesos electroquímicos como la división del agua, no se puede centrarse únicamente en la curva de energía, sino que también se debe considerar sistemáticamente el papel de la entropía y cómo los fuertes campos eléctricos remodelan el paisaje molecular del agua. El estudio muestra que la forma en que la actividad de la reacción cambia con el campo eléctrico en condiciones de polarización y sistemas acuosos es más compleja de lo que se pensaba anteriormente, y también proporciona una nueva base teórica para reevaluar el diseño de reacciones catalíticas en "entornos acuosos" y condiciones electroquímicas.
Los autores creen que este trabajo proporciona pistas clave para reconstruir el marco teórico de la reactividad de la fase acuosa bajo presión de polarización. Al enfatizar el efecto unificador de la entropía sobre la estructura del agua y la reactividad bajo campos eléctricos fuertes, esta investigación abre nuevas ideas para el diseño de catalizadores en los campos de los dispositivos de electrólisis del agua, los sistemas electrocatalíticos y las "reacciones del agua".
Los resultados relevantes se publicaron en el Journal of the American Chemical Society con el título "La entropía gobierna la estructura y la reactividad de la disociación del agua bajo campos eléctricos".
Compilado de /ScitechDaily