Conversión superior de la luz en energía química con díadas coulómbicas
Los científicos han creado una nueva clase de fotocatalizadores que utilizan metales preciosos de forma más eficaz
Inspirados en la fotosíntesis de la naturaleza, los fotocatalizadores utilizan la luz para desencadenar una reacción química que, de otro modo, sólo se produciría a altas temperaturas o en condiciones duras. Para que este concepto sea ampliamente aplicable de forma económica, la eficiencia cuántica de la transformación inducida por la luz tiene que ser alta. Los fotocatalizadores a medida con una eficiencia excepcional en aplicaciones fotocatalíticas suelen estar compuestos por dos unidades fotoactivas con un enlace covalente intermedio. Estas llamadas díadas moleculares deben prepararse en una síntesis de varios pasos, por lo que resultarían demasiado caras para aplicaciones a gran escala. Un equipo de investigadores dirigido por Christoph Kerzig, catedrático de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (JGU), ha descubierto un método novedoso para la preparación directa de fotocatalizadores díadas de gran eficacia. Se mezclan dos sales disponibles en el mercado y, debido a interacciones electrostáticas atractivas, es decir, interacciones de Coulomb, las unidades fotoactivas forman un par de iones que les permite interactuar sinérgicamente. "El concepto es comparable a las interacciones atractivas entre los iones de sodio y cloruro de la sal de mesa común", explica Matthias Schmitz, autor principal de este estudio, que empezó a trabajar en fotocatálisis en 2022. El manuscrito sobre las díadas coulómbicas se ha publicado recientemente en el Journal of the American Chemical Society.
Preparación sencilla y propiedades superiores de la nueva clase de catalizadores de díadas coulómbicas
© Matthias Schmitz
Un enfoque completamente diferente y excelentes resultados en las primeras reacciones de prueba
En la actualidad, muchos científicos intentan "enseñar" a metales no preciosos a comportarse como catalizadores bien establecidos basados en elementos caros como el iridio, el rutenio o el osmio. Sin embargo, la preparación de estos fotocatalizadores metálicos abundantes en la Tierra suele requerir ligandos sofisticados con síntesis que consumen tiempo y recursos. "En cambio, nuestro planteamiento se basa en fotocatalizadores ya establecidos, a los que 'simplemente' añadimos aditivos baratos para mejorar aún más sus características de rendimiento y durabilidad", explicó Kerzig. "Esta estrategia tiene el potencial de utilizar un determinado fotocatalizador metálico de forma mucho más eficiente, de modo que la cantidad de catalizador necesaria puede reducirse drásticamente", añadió.
Las díadas coulómbicas descritas en este trabajo se identificaron y optimizaron mediante un enfoque guiado por espectroscopia. Los dispositivos láser a gran escala establecidos en el grupo de Kerzig se han aplicado para comprender todos los pasos clave de la reacción, desde la absorción de la luz por el complejo metálico hasta la activación de las moléculas que almacenan la energía de los fotones. Las primeras reacciones de prueba con la nueva clase de catalizador incluyen reacciones en las que se forman nuevos enlaces químicos entre dos átomos de carbono y la denominada fotooxigenación de un material de partida derivado de la madera. Los resultados revelaron que la díada coulómbica es más eficaz que los catalizadores establecidos, que suelen ser más caros. De este modo, la luz solar y la generada por los LED pueden utilizarse y convertirse de forma más eficiente para obtener productos químicos de valor añadido.
Trabajos en curso sobre este concepto versátil
Muchos de los fotocatalizadores más utilizados son de naturaleza iónica. Por ello, los investigadores creen que este novedoso método puede convertirse en una estrategia general para mejorar la eficacia de las reacciones impulsadas por la luz. Sus prometedores resultados experimentales demuestran que el disolvente tiene un efecto crucial. Dependiendo del disolvente, se pueden diseñar diferentes diadas coulómbicas combinando diferentes aniones y cationes fotoactivos.
La Fundación Alemana de Investigación (DFG) financia esta investigación mediante una beca de investigación individual y los Fondos de la Industria Química apoyan este proyecto mediante una beca de doctorado para Matthias Schmitz. Esta generosa financiación permitirá seguir investigando en esta dirección, lo que esperamos que conduzca a la posibilidad de realizar fotorreacciones a escala industrial con la nueva clase de fotocatalizadores.
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