Cómo los carbenos de hierro almacenan la energía de la luz del sol... y por qué no son mejores en ello.

Estos fotosensibilizadores baratos podrían hacer más eficiente la energía solar y la fabricación de productos químicos

13.02.2020 - Estados Unidos

Los fotosensibilizadores son moléculas que absorben la luz solar y pasan esa energía para generar electricidad o impulsar reacciones químicas. Generalmente se basan en metales raros y caros, por lo que el descubrimiento de que los carbenos de hierro, con hierro común en sus núcleos, también pueden hacer esto, desencadenó una ola de investigaciones en los últimos años. Pero mientras se descubren carbenos de hierro cada vez más eficientes, los científicos necesitan entender exactamente cómo funcionan estas moléculas a nivel atómico para poder diseñarlas para un rendimiento óptimo.

Ahora los investigadores han usado un láser de rayos X en el Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC del Departamento de Energía para observar lo que sucede cuando la luz golpea un carburo de hierro. Descubrieron que puede responder de dos formas competitivas, sólo una de las cuales permite que los electrones fluyan hacia los dispositivos o reacciones donde se necesitan. En este caso, la molécula tomó el camino de la producción de energía alrededor del 60% del tiempo.

En una célula solar, un carburo de hierro se adhiere a la película semiconductora de la superficie de la célula con su átomo de hierro sobresaliendo. La luz del sol golpea el átomo de hierro y libera electrones, que fluyen hacia los aditamentos de carburo. Si permanecen en esos aditamentos el tiempo suficiente - 10 billonésimas de segundo o más - pueden entonces pasar a la célula solar y aumentar su eficiencia. En química, el impulso de energía que proporcionan los fotosensibilizadores ayuda a impulsar las reacciones químicas, pero requiere tiempos de residencia aún más largos para los electrones de los aditamentos de carburo.

Para precisar cómo funciona esto, un equipo internacional dirigido por investigadores del Instituto Stanford PULSE en SLAC examinó muestras de carbeno de hierro con pulsos láser de rayos X de la Fuente de Luz Coherente de Linac (LCLS) del laboratorio. Midieron simultáneamente dos señales separadas que revelan cómo se mueven los núcleos atómicos de la molécula y cómo sus electrones viajan dentro y fuera de los enlaces hierro-carbono.

Los resultados mostraron que los electrones fueron almacenados en los aditamentos de carburo el tiempo suficiente para hacer un trabajo útil alrededor del 60% del tiempo; el resto del tiempo volvieron al átomo de hierro demasiado pronto, sin lograr nada.

Kelly Gaffney de PULSE dijo que el objetivo a largo plazo de esta investigación es conseguir que cerca del 100 por ciento de los electrones permanezcan en los carbenos mucho más tiempo, para que la energía de la luz pueda ser utilizada para impulsar reacciones químicas. Para ello, los científicos necesitan encontrar principios de diseño para adaptar las moléculas de carburo de hierro para llevar a cabo determinados trabajos con la máxima eficiencia.

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