Científicos de la EPFL han desentrañado los detalles del primer paso crucial en la reacción de evolución del oxígeno, un cuello de botella para la producción de hidrógeno limpio, utilizando simulaciones avanzadas y técnicas de aprendizaje automático.
En nuestra búsqueda de fuentes de energía más limpias, el hidrógeno destaca por su capacidad para almacenar y distribuir energía sin producir emisiones de carbono, ya que su combustión solo genera agua. Esto lo convierte en uno de los combustibles más limpios disponibles.
Una de las formas de producir hidrógeno es mediante un proceso llamado «disociación del agua» , que descompone el agua en hidrógeno y oxígeno utilizando la luz solar. La disociación del agua permite que el hidrógeno esté ampliamente disponible, pero a pesar de décadas de investigación, sigue siendo demasiado ineficiente.
El cuello de botella en la producción de hidrógeno
El cuello de botella siempre ha sido el primer paso: mover un protón y un electrón de forma coordinada, un proceso denominado transferencia de electrones acoplada a protones (PCET) . En este proceso, un protón y un electrón se mueven en sintonía para contribuir a la descomposición de las moléculas de agua, lo que lo convierte en un paso clave para la producción de hidrógeno y oxígeno.
La REA se produce en la interfaz entre un material que absorbe la luz, como el vanadato de bismuto (BiVO₄), y el agua, y es notoriamente lenta. Durante la reacción, el BiVO₄ ayuda a extraer electrones y protones de las moléculas de agua, lo que produce oxígeno gaseoso. En otras palabras, el BiVO₄ es la superficie de trabajo donde ocurre este paso crucial y lento.
El paso clave: transferencia de electrones acoplada a protones
El cuello de botella siempre ha sido el primer paso: el movimiento conjunto de un protón y un electrón, un proceso denominado transferencia de electrones acoplada a protones (PCET) . En este proceso, un protón y un electrón se mueven juntos para contribuir a la descomposición de las moléculas de agua, lo que lo convierte en un paso clave para la producción de hidrógeno y oxígeno.
A pesar de los avances en la comprensión de la termodinámica del PCET, determinar su mecanismo exacto ha sido difícil. Estudios previos a menudo han pasado por alto el movimiento caótico de las moléculas de agua en la superficie del BiVO₄ o se han basado en métodos que no alcanzaban el tiempo ni la precisión necesarios. Esto ha dejado una brecha en nuestra comprensión de por qué el BiVO₄ funciona como lo hace y cómo mejorarlo.
Simulaciones avanzadas revelan la danza
Ahora, dos investigadores de la EPFL, Yong-Bin Zhuang y Alfredo Pasquarello, han encontrado una solución al problema. Al combinar simulaciones de dinámica molecular a largo plazo con potenciales de aprendizaje automático (algoritmos entrenados para imitar cálculos cuánticos de alto nivel), los científicos capturaron la dinámica completa de átomos y electrones en la interfaz BiVO₄-agua. Centrándose en el primer paso del REA, el evento PCET inicial, descubrieron que el protón se mueve primero, seguido del electrón, y esta secuencia marca el ritmo de la reacción.
Los científicos construyeron un modelo atómico detallado de la interfaz BiVO₄-agua y utilizaron aprendizaje automático para predecir las fuerzas entre los átomos con gran precisión. Esto les permitió ejecutar simulaciones mucho más largas de lo que sería posible con los cálculos cuánticos estándar: lo suficiente (hasta 30 nanosegundos) para obtener resultados estables y convergentes, y muestrear cientos de miles de configuraciones atómicas.
Mediante un seguimiento cuidadoso de variables clave como la posición del protón y la ubicación cambiante del «hueco» (la ausencia de un electrón), pudieron observar el desarrollo completo del proceso PCET. También utilizaron múltiples modelos de aprendizaje automático entrenados independientemente para garantizar la solidez de sus resultados.
¿Qué hace que la producción de hidrógeno sea lenta?
Las simulaciones revelaron algo importante: el paso más lento, determinante de la velocidad, es la transferencia directa de un protón desde una molécula de agua adsorbida en la superficie de BiVO₄ a un átomo de oxígeno vecino en la superficie. El electrón (o «hueco») solo salta a su nuevo sitio después de que el protón se haya movido. El estudio también demostró que esta transferencia directa de protones, a diferencia de una ruta indirecta que involucra moléculas de agua adicionales, domina el proceso. Esta idea concuerda con experimentos recientes que señalaron la transferencia de protones como el cuello de botella de la reacción.
Sabiendo que la transferencia de protones limita la reacción, los científicos ahora pueden centrarse en encontrar maneras de acelerar este paso específico, quizás modificando la superficie de BiVO₄ o usando aditivos para estabilizar estructuras clave. El estudio también establece un nuevo estándar para la simulación de reacciones complejas en interfaces, demostrando que el aprendizaje automático puede reducir la diferencia entre precisión y coste computacional.
Fondos
Centro Nacional Suizo de Supercomputación (CSCS)
Referencias
Yong-Bin Zhuang, Alfredo Pasquarello. Mecanismo de la primera transferencia de electrones acoplada a protones en la oxidación del agua en la interfase ecuación-agua. Angewandte Chemie – Edición Internacional, 24 de mayo de 2025. DOI: 10.1002/anie.202507071
EPFL News. N. P. Traducido al español
