Un complejo de molibdeno de bajo coste abre la vía a la fotoquímica sostenible
Científicos utilizan molibdeno para la fotocatálisis y la conversión ascendente de fotones
Dada la urgente necesidad de transformar nuestra forma de utilizar y producir energía, los investigadores se esfuerzan por encontrar materiales sostenibles y rentables para aplicaciones químicas basadas en la luz. Hasta la fecha, este campo de investigación depende en gran medida de costosos complejos de metales preciosos o de tierras raras cuya abundancia en la corteza terrestre es limitada. Aunque en los últimos años se han logrado avances significativos en el establecimiento de alternativas que utilizan elementos abundantes en la Tierra, estos materiales suelen ser muy difíciles de fabricar, ya que requieren síntesis de varios pasos que consumen muchos recursos. Sin embargo, un equipo de investigadores de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (JGU), la Universidad de Kaiserslautern-Landau (RPTU) y el Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros (MPIP), dirigido por la profesora Katja Heinze y su estudiante de doctorado Winald Kitzmann, ha logrado un avance significativo al combinar lo mejor de ambos mundos: un metal abundante y de bajo coste, el molibdeno, con un método de síntesis sencillo. El equipo demostró la versatilidad de la molécula aplicándola a la conversión de luz de baja energía en luz de alta energía y como fotocatalizador para impulsar reacciones químicas, dos estrategias que pueden permitirnos aprovechar mejor nuestra energía en el futuro.
Sencillo proceso de síntesis en dos pasos
En su artículo "Stable Molybdenum(0) Carbonyl Complex for Upconversion and Photoredox Catalysis", publicado en el Journal of the American Chemical Society, los investigadores presentan un novedoso enfoque para el diseño de complejos fotoactivos estables basados en un átomo de molibdeno en combinación con ligandos carbonilo. La síntesis de esta molécula es muy sencilla y sólo requiere dos pasos. "Muchos ejemplos citados en la literatura de investigación tienen propiedades fantásticas pero su fabricación requiere meses", explica Alexander Fischer, que se había incorporado al laboratorio de Heinze en la JGU para realizar su tesis de máster y es coautor del estudio. "Me sorprendió ver que se puede sintetizar el complejo de molibdeno en un solo día".
Utilizando los sofisticados espectrómetros láser disponibles en la JGU, el MPIP y la RPTU, el equipo demostró que la absorción de luz puebla un estado excitado en el complejo que persiste durante varios cientos de nanosegundos. "Esto puede parecer poco, pero es tiempo suficiente para que el estado excitado pueda utilizarse en transformaciones fotoquímicas", explicó Winald Kitzmann. "De hecho, la naturaleza de este estado es bien conocida a partir de materiales basados en metales preciosos, así que ya sabíamos cómo aprovecharlo".
Excelentes resultados en ensayos prácticos
Los complejos carbonílicos convencionales tienen fama de descomponerse bajo la irradiación con luz, un hecho que pendía como una espada de Damocles sobre el proyecto desde el principio. Sin embargo, el complejo de molibdeno demostró ser altamente fotoestable. "Esta notable estabilidad de nuestro nuevo compuesto -incluso con altas intensidades de luz- nos cogió realmente por sorpresa", recuerda la profesora Katja Heinz, líder del grupo de investigación que encabezó la investigación. "Así que, a diferencia de muchos ejemplos anteriores, la aplicabilidad de nuestro complejo no se ve limitada por su escasa fotoestabilidad", añadió. Los cálculos químicos cuánticos avanzados revelaron las razones clave de este éxito. Con estos conocimientos, los investigadores pudieron proponer cómo incorporar estas características a futuros materiales diseñados.
Para la aplicación del material de molibdeno carbonilo, el equipo se centró en dos aplicaciones: la conversión ascendente de fotones y la fotocatálisis. En la conversión ascendente de fotones, dos fotones de baja energía se convierten en un fotón de alta energía, un proceso que, en principio, puede aumentar la eficiencia de las células solares al ampliar el espectro solar utilizado a la luz de baja energía. En fotocatálisis, el complejo de molibdeno se utiliza para impulsar una reacción química con luz, que de otro modo requeriría condiciones duras para llevarse a cabo. En ambos tipos de experimentos, el complejo funcionó muy bien, acercándose e incluso superando en algunos casos a los compuestos tradicionales de metales preciosos.
La colaboración, clave del éxito
En conjunto, estos hallazgos suponen una contribución significativa al campo de la fotoquímica sostenible, ya que ofrecen una vía prometedora para el desarrollo de materiales de bajo coste con fotoactividad útil. "La colaboración ha desempeñado un papel fundamental para el éxito de este proyecto", concluye la profesora Katja Heinze. "Sólo aunando nuestros conocimientos y recursos pudimos superar los diversos retos y lograr estos notables resultados". Los esfuerzos de colaboración de los investigadores de la JGU, la RPTU y el MPIP no sólo han demostrado la viabilidad de la utilización del molibdeno como metal barato abundante en la Tierra, sino que también han presentado un diseño sencillo que evita la necesidad de ligandos complejos. "Estamos encantados de presentar nuestros descubrimientos sobre este complejo de molibdeno carbonilo fotoestable", declaró Winald Kitzmann. "Y estamos entusiasmados con las posibles aplicaciones y futuros avances que podrían derivarse de nuestro trabajo".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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