¿Es posible diseñar catalizadores sólidos activados por la luz para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno utilizando los primeros principios de la mecánica cuántica?

Answer 1

No.

No se puede diseñar un proceso como este exclusivamente a partir de los primeros principios de la mecánica cuántica. Necesitas muchos otros conocimientos empíricos. ¡No solo el sistema es demasiado grande para calcularlo, ya que otros escriben en sus respuestas! El otro problema fundamental es que puedes usar cálculos mecánicos cuánticos para ver qué sucede si tienes una determinada configuración de átomos, pero no puedes diseñar una configuración específica de átomos que se comporte de una manera particular. No se pueden resolver las ecuaciones al revés. La única forma es probar un millón de configuraciones diferentes y comenzar a ajustar cuando te acerques a una solución (suponiendo que puedas ver que está cerca).

Debido a estas propiedades, los cálculos de QM pueden ser principalmente muy útiles para comprender y optimizar los procesos existentes .

Tenga en cuenta que incluso si pudiera calcular las configuraciones exactas de los átomos que necesitaría, probablemente sería imposible diseñarlos en esos lugares.

Answer 2

El modelado de primeros principios de materiales sólidos para la división de agua fotocatalítica es un área activa de investigación. En teoría, es posible diseñar un fotocatalizador utilizando el modelado de principios básicos, pero esto es un desafío en la práctica y no se ha logrado hasta ahora. El modelado de reacciones fotocatalíticas con precisión y la comprensión de las propiedades de un fotocatalizador en condiciones operativas se encuentra en la frontera del campo de investigación. Sin embargo, actualmente se puede obtener información fundamental sobre las reacciones fotocatalíticas y los materiales fotocatalíticos a través de los primeros principios (es decir, utilizando la teoría de la densidad funcional, la química cuántica y la teoría de la perturbación del cuerpo), que es invaluable para los experimentadores. El modelado de primeros principios se puede utilizar para seleccionar a los fotocatalizadores candidatos en función de sus propiedades y estabilidad electrónica, por ejemplo, el catalizador debe tener un intervalo de banda adecuado y ser termodinámicamente estable en condiciones operativas. Una vez que se encuentran los fotocatalizadores candidatos, uno puede comenzar a construir modelos juiciosos para examinar las vías de reacción de separación de agua y la dinámica de fotoexcitación más de cerca.

Answer 3

No con la potencia informática que tenemos actualmente. Buena suerte modelando una molécula de hidrógeno desde el principio (y mucho menos un solo átomo de metal, y Dios prohíbe una superficie de metal completa).

La teoría de la densidad funcional es popular para diseñar (o al menos seleccionar) catalizadores, pero se basa en aproximaciones a QM en lugar de primeros principios, y por eso también es práctico. Aun así, los cálculos llevan mucho tiempo y, por lo general, se limitan a un pequeño número de átomos (por ejemplo, 3 x 3 x 3).

Este es un ejemplo altamente citado del uso de DFT para estudiar electrocatalizadores para la reacción de reducción de oxígeno, que está relacionada con la reacción de evolución de oxígeno que usted preguntó sobre: ​​Norskov et al., J Phys Chem B (2004).