L'hydrogène est l'élément le plus abondant dans l'univers. La molécule de dihydrogène, avec une liaison H-H, est l'une des plus simples et des plus flexibles en chimie. Le clivage d'une liaison dihydrogène pour produire ou stocker de l'énergie nécessite de concevoir le catalyseur avec l'équilibre parfait des propriétés pour obtenir la réactivité souhaitée. En outre, la capacité de réassembler cette molécule et de contrôler le taux d'assemblage et de désassemblage est importante dans la production de carburants propres. Morris Bullock et ses collègues du Pacific Northwest National Laboratory ont réussi à contrôler le taux de clivage et de réassemblage d'une molécule de dihydrogène.

Dans la recherche permanente d'une production de carburant propre, les scientifiques ont étudié des moyens simples de cliver par hétérolyse la molécule d'hydrogène en deux produits inégaux. Comprendre les propriétés du clivage hétérolytique de la liaison dihydrogène et contrôler l'emplacement et l'énergie du proton résultant et de l'hydrure chargé négativement est important pour la conception de nouveaux catalyseurs pour les piles à combustible et d'autres sources d'énergie propre.

La liaison dihydrogène est la plus simple en chimie mais elle offre une flexibilité dans la manière dont la liaison est rompue. Il peut être cassé de deux manières différentes, homolytiquement ou hétérolytiquement, en deux fragments identiques ou en deux fragments chargés différents, un proton et un hydrure. Le clivage hétérolytique est la rupture de la paire d'électrons de liaison en deux produits inégaux. Il s'agit d'un processus courant dans l'utilisation de l'hydrogène dans les piles à combustible et dans les processus biologiques se produisant dans la nature dans lesquels des enzymes oxydent l'hydrogène. Le clivage hétérolytique inverse est le processus consistant à prendre ces fragments inégaux et à les reconstruire jusqu'à leur structure d'origine; C'est, combinant le proton et l'hydrure et créant du dihydrogène.

Avant cette étude, Bullock et ses collègues ont étudié comment les liaisons dihydrogène sont rompues et se reforment en une molécule de dihydrogène. "Ce que nous essayons de faire, c'est de trouver les bonnes caractéristiques électroniques pour que l'énergie nécessaire au clivage soit faible, " dit Bullock, un scientifique de la catalyse.

Concevoir cette molécule est un exercice d'équilibre. Les itérations précédentes de ces molécules étaient soit trop fortement liées au catalyseur après clivage, soit trop faibles pour se lier au catalyseur. En réponse, Les scientifiques du PNNL ont créé une série de catalyseurs à base de molybdène, pour laquelle le taux de clivage et de réassemblage H-H pourrait être systématiquement varié.

En outre, Bullock et ses collègues ont prouvé qu'il existe un mécanisme pour contrôler le taux de clivage hétérolytique réversible. En utilisant la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire au PNNL, ils ont observé la réaction au fur et à mesure qu'elle se produisait. Plus loin, ils contrôlaient la vitesse de clivage en modifiant systématiquement les caractéristiques électroniques des complexes métalliques. Certaines de ces liaisons se clivent et se réassemblent près de 10 millions de fois par seconde à température ambiante. En modifiant l'acidité de ces complexes, la vitesse de clivage hétérolytique réversible peut être modifiée d'un facteur 10, 000.

La compréhension des propriétés thermodynamiques et cinétiques du clivage hétérolytique de la liaison dihydrogène et le contrôle du transfert du proton et de l'hydrure sont d'une importance cruciale pour la conception de nouveaux catalyseurs. L'étape suivante consiste à déterminer comment réaliser le clivage des liaisons H-H et contrôler la livraison de protons et d'hydrures après la rupture de la liaison H-H.