Una nueva vía para la conversión ascendente de fotones sostenible con metales no preciosos
Los científicos utilizan el cromo para una eficiente conversión ascendente de fotones verdes a azules
Las aplicaciones químicas sostenibles deben ser capaces de emplear fuentes de energía renovables, materias primas renovables y elementos abundantes en la tierra. Sin embargo, hasta la fecha muchas técnicas sólo han sido posibles con el uso de costosos metales preciosos o metales de tierras raras, cuya extracción puede tener graves impactos ambientales. Un equipo de investigadores, entre los que se encuentran la profesora Katja Heinze y el profesor Christoph Kerzig de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (JGU), así como la doctora Ute Resch-Genger del Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) alemán, ha logrado ahora un gran avance en el uso del cromo, un metal básico abundante que el grupo de Heinze lleva investigando desde hace tiempo. Los nuevos hallazgos demuestran que los compuestos de cromo, también llamados rubíes moleculares, pueden sustituir a los costosos metales preciosos en la conversión ascendente de fotones. La conversión ascendente de fotones (UC) es un proceso en el que la absorción secuencial de dos fotones de menor energía conduce a la emisión de un fotón de mayor energía. Este fotón de mayor energía puede emplearse, en principio, para ampliar el uso de la luz solar de baja energía en las células solares o en las reacciones fotoquímicas que, de otro modo, requieren luz ultravioleta para su activación. El uso de rubíes moleculares puede contribuir así a reducir el impacto de procesos perjudiciales para el medio ambiente, como la extracción de metales preciosos o elementos de tierras raras, y a ampliar la fotoquímica a procesos más sostenibles.
Conversión de luz verde a azul en una solución con un rubí molecular
photo/©: Yi You
Compuestos de cromo como alternativa prometedora
La mayoría de las aplicaciones fotoquímicas y fotofísicas, como los diodos orgánicos fosforescentes emisores de luz, las células solares sensibilizadas por colorantes o las reacciones químicas impulsadas por la luz, utilizan metales preciosos como el oro, el platino, el rutenio, el iridio o los metales de tierras raras. Sin embargo, los metales preciosos son caros porque son escasos, mientras que los elementos de tierras raras sólo se extraen en unos pocos países, en China en particular. Además, su extracción suele implicar un consumo considerable de agua, energía y productos químicos. En algunos casos, como la extracción de oro, se emplean sustancias muy tóxicas como el cianuro o el mercurio.
En cambio, los recursos del metal cromo, que recibe su nombre de la antigua palabra griega que significa color, son 10.000 veces más abundantes en la corteza terrestre que los del platino y 100.000 veces más que los del iridio, lo que significa que está disponible en cantidades suficientes. "Desgraciadamente, las propiedades fotofísicas de metales abundantes como el cromo o el hierro no son lo suficientemente buenas como para ser útiles en aplicaciones tecnológicas, especialmente cuando se trata de los tiempos de vida y las energías de sus estados de excitación electrónica", explicó la profesora Katja Heinze, del Departamento de Química de la JGU. Sólo en los últimos años se ha logrado un avance significativo en este sentido, siendo el equipo de Heinze uno de los principales contribuyentes. También participaron en el desarrollo de los llamados rubíes moleculares. Se trata de compuestos moleculares solubles que poseen unas características de estado excitado excepcionalmente buenas. Los rubíes moleculares ya se han utilizado como termómetros ópticos moleculares y sensores de presión.
Observación directa de los procesos de transferencia de energía gracias a un nuevo dispositivo láser a gran escala
El equipo de científicos de Maguncia y Berlín ha logrado ahora un nuevo avance. "En el proceso, hemos observado un mecanismo novedoso y hemos comprendido en detalle la gran eficacia de los nuevos compuestos de cromo", ha declarado el profesor Christoph Kerzig. Los científicos lograron observar directamente la inusual vía de transferencia de energía utilizando un dispositivo láser recientemente instalado en el grupo de Kerzig. Esta técnica, denominada fotólisis de flash láser, les permitió detectar todos los intermedios que son importantes para los mecanismos de conversión ascendente. Además, los experimentos cuantitativos con láser establecieron la ausencia de canales de pérdida de energía inherentes y de reacciones secundarias, lo que sienta las bases para aplicaciones eficientes de esta forma poco explorada de transferir y convertir la energía solar con compuestos de cromo.
En consecuencia, los científicos podrían desarrollar en el futuro nuevas reacciones impulsadas por la luz utilizando el metal común cromo en lugar de utilizar los compuestos raros y más costosos de rutenio e iridio, que hoy en día siguen siendo los más utilizados. "Junto con nuestros socios del BAM de Berlín y otras universidades, seguiremos impulsando nuestros esfuerzos para desarrollar una fotoquímica más sostenible", subrayó la profesora Katja Heinze.
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