La producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua es una piedra angular de la transición energética, pero depende de catalizadores eficientes y estables en condiciones ácidas, tradicionalmente basados en metales preciosos como el iridio y el platino. Un equipo del Centro Singular de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CiQUS), liderado por la investigadora María Giménez-López, ha logrado un avance fundamental hacia alternativas basadas en elementos abundantes. Su trabajo, publicado en la prestigiosa revista Advanced Materials, demuestra que un mismo compuesto molecular puede actuar como un «interruptor» catalítico, eligiendo entre producir oxígeno o hidrógeno.

El núcleo del descubrimiento es un material híbrido que combina un clúster de vanadio (un polioxometalato) con nanotubos de carbono. «El ‘interruptor’ no está en el clúster metálico en sí, sino en cómo los cationes orgánicos que lo acompañan están dispuestos», explica Giménez-López. «Cuando el material se mezcla físicamente con los nanotubos, estos cationes (llamados TRIS⁺) quedan bloqueados en la estructura cristalina. Esto dirige la reacción hacia la producción de oxígeno mediante un mecanismo especial de oxidación. Sin embargo, cuando dejamos que se ensamble de manera dirigida, los mismos cationes TRIS⁺ se liberan, se orientan hacia la superficie y actúan como una ‘esponja de protones’. Este simple cambio en la arquitectura molecular convierte al sistema en un catalizador excepcional para producir hidrógeno».

A nivel molecular, el clúster de vanadio actúa como un reservorio electrónico estable y reversible en ambos casos. La función final (oxígeno o hidrógeno) la deciden los cationes TRIS⁺, que modulan el microentorno electroquímico local dependiendo de su accesibilidad. Si están bloqueados, promueven la activación del agua para liberar oxígeno. Si están libres y expuestos, capturan protones y facilitan su reducción a hidrógeno. Por tanto, el cambio de función no se debe a alterar la composición química, sino a controlar la arquitectura supramolecular del ensamblaje.

Los datos electroquímicos respaldan este interruptor molecular. En su configuración para oxígeno, el material rivaliza con el iridio comercial. En su configuración para hidrógeno, su eficiencia se acerca a la del platino, el estándar de referencia. Este trabajo se enmarca en la línea de investigación del grupo de la Dra. Giménez-López en el CiQUS, centrado en el diseño de nuevos materiales para el almacenamiento y conversión de energía, donde el uso controlado de nanotubos de carbono como soportes inteligentes juega un papel crucial.

«Este trabajo establece que el interruptor catalítico es topológico y microambiental, no composicional», subraya la investigadora. El estudio no solo presenta un candidato prometedor para electrolizadores más sostenibles, sino que propone un nuevo paradigma: la posibilidad de programar la reactividad de catalizadores moleculares mediante el control de su ensamblaje, abriendo un camino racional para diseñar materiales multifuncionales, duraderos y basados en elementos abundantes.

El trabajo ha contado con la colaboración de investigadores del CICECO (Universidad de Aveiro), y se ha llevado a cabo en el CiQUS, centro que recibe apoyo financiero de la Unión Europea a través del Programa Galicia FEDER 2021-2027 y que cuenta con el reconocimiento CIGUS de la Xunta de Galicia.

Referencia

E. P. Quirós-Díez, M. Guillén-Soler, C. Herreros-Lucas, et al. «POM-Based Water Splitting Catalyst Under Acid Conditions Driven by Its Assembly on Carbon Nanotubes.» Adv. Mater. (2025): e12902.  https://doi.org/10.1002/adma.202512902