Οι χημικοί αποκαλύπτουν το μυστικό της μεταφοράς ηλεκτρονίων υπό πίεση

Οι χημικοί αποκαλύπτουν το μυστικό της μεταφοράς ηλεκτρονίων υπό πίεση

Η μελέτη των θεμελιωδών χημικών διεργασιών κατέχει σημαντική θέση στην επιστήμη. Στην τελευταία τους μελέτη, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Friedrich-Alexander Erlangen-Nuremberg και το Πανεπιστήμιο του Μονάχου εξέτασαν λεπτομερώς τους μηχανισμούς μεταφοράς ηλεκτρονίων στις χημικές αντιδράσεις. Αυτά τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Nature Chemistry και δείχνουν ότι οι αντιδράσεις οξειδοαναγωγής έχουν εκτεταμένες εφαρμογές στη φύση και τη μηχανική.

Οι αντιδράσεις οξειδοαναγωγής είναι βασικές διεργασίες που παίζουν κεντρικό ρόλο τόσο στην κυτταρική αναπνοή όσο και στη φωτοσύνθεση. Για παράδειγμα, η γλυκόζη οξειδώνεται σε διοξείδιο του άνθρακα κατά την κυτταρική αναπνοή, ενώ το οξυγόνο ανάγεται σε νερό. Αυτές οι διαδικασίες δεν είναι μόνο βιολογικά σημαντικές, αλλά και βιομηχανικά σημαντικές, καθώς εμπλέκονται σε μπαταρίες και κυψέλες καυσίμου, οι οποίες παράγουν ηλεκτρική ενέργεια από χημική ενέργεια. Ηλεκτροφυσιολογικά, οι οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις μπορούν επίσης να εξαναγκαστούν από εξωτερική τάση, για παράδειγμα στην ηλεκτρόλυση για την παραγωγή χλωρίου και υδρογόνου .

Μεταφορά ηλεκτρονίων συζευγμένη με πρωτόνιο

Μια νέα εστίαση της έρευνας βασίζεται στη μεταφορά ηλεκτρονίων συζευγμένη με πρωτόνια (PCET). Αυτή η μέθοδος επιτρέπει την πραγματοποίηση αντιδράσεων οξειδοαναγωγής χωρίς αλλαγή του συνολικού φορτίου. Οι επιστήμονες διακρίνουν βασικά μεταξύ δύο μηχανισμών του PCET: τη συντονισμένη μεταφορά, στην οποία τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια μεταφέρονται ταυτόχρονα και τη σταδιακή μεταφορά, στην οποία αυτά τα βήματα συμβαίνουν χωριστά. Ωστόσο, μέχρι τώρα δεν υπήρχε άμεση μέθοδος για τη διαφοροποίηση μεταξύ αυτών των δύο μηχανισμών.

Για να μελετήσουν τις αντιδράσεις φωτός, οι ερευνητές ανέλυσαν την επίδραση της υψηλής πίεσης στις αντιδράσεις που προκαλούνται από το φως ενός ειδικού φωτοευαίσθητου μορίου σε διάλυμα. Διαπιστώθηκε ότι η υψηλή πίεση, έως και 1.200 φορές η ατμοσφαιρική, επηρέασε σημαντικά τον ρυθμό αντίδρασης. Οι σταθερές ταχύτητες πρότειναν συντονισμένες αποκρίσεις, ενώ οι μεταβαλλόμενες ταχύτητες πρότειναν σταδιακές αποκρίσεις .

Επιπτώσεις στις μελλοντικές τεχνολογίες

Η ικανότητα ελέγχου μιας αντίδρασης από έναν σταδιακό σε έναν συντονισμένο μηχανισμό με αυξανόμενη πίεση ανοίγει νέες προοπτικές για έρευνα. Αυτά τα ευρήματα δεν είναι μόνο σημαντικά για τη θεμελιώδη κατανόηση των κινήσεων ηλεκτρονίων και πρωτονίων, αλλά θα μπορούσαν επίσης να έχουν επιπτώσεις στις νέες τεχνολογίες για τη μετατροπή και την αποθήκευση χημικής ενέργειας. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για εφαρμογές στην παραγωγή ηλιακών καυσίμων και στην παραγωγή υδρογόνου.

Οι μηχανισμοί των αντιδράσεων οξειδοαναγωγής είναι επομένως το κλειδί για την ανάπτυξη νέων ενεργειακά αποδοτικών τεχνολογιών. Σε έναν κόσμο που εξαρτάται όλο και περισσότερο από λύσεις βιώσιμης ενέργειας, οι ερευνητές καλούνται να αποκρυπτογραφήσουν και να εφαρμόσουν περαιτέρω αυτές τις πολύπλοκες χημικές διαδικασίες.