Las aplicaciones químicas sostenibles deben poder emplear fuentes de energía renovables, materias primas renovables y elementos abundantes en la tierra. Sin embargo, hasta la fecha, muchas técnicas solo han sido posibles con el uso de metales preciosos caros o metales de tierras raras, cuya extracción puede tener graves impactos ambientales. Un equipo de investigadores que incluye a la profesora Katja Heinze y al profesor Christoph Kerzig de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU), así como a la Dra. Ute Resch-Genger de la Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) alemana, ha logrado un gran avance en el uso de cromo, un metal base abundante que el grupo de Heinze ha estado investigando durante algún tiempo.

Los nuevos hallazgos muestran 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. En principio, este fotón de mayor energía se puede emplear para ampliar el uso de la luz solar de baja energía en células solares o reacciones fotoquímicas que, de lo contrario, requieren luz ultravioleta para su activación. Por lo tanto, el uso de rubíes moleculares puede ayudar a reducir el impacto de procesos dañinos para el medio ambiente, como la extracción de metales preciosos o elementos de tierras raras, y expandir la fotoquímica a procesos más sostenibles.

Compuestos de cromo como alternativa prometedora

La mayoría de las aplicaciones fotoquímicas y fotofísicas, como los diodos emisores de luz orgánicos fosforescentes, las células solares sensibilizadas con colorantes o las reacciones químicas impulsadas por la luz, utilizan metales preciosos como oro, platino, rutenio, iridio o metales de tierras raras. Sin embargo, los metales preciosos son caros porque son escasos, mientras que las tierras raras solo se extraen en unos pocos países, en particular en China. Además, su extracción implica a menudo un consumo considerable de agua, energía y productos químicos. En algunos casos, como en la minería del oro, se emplean sustancias altamente tóxicas como el cianuro o el mercurio.

Por otro lado, los recursos del metal cromo, que recibe su nombre de la antigua palabra griega para color, son 10 000 veces más abundantes en la corteza terrestre que los del platino y 100 000 veces mayores que los del iridio, lo que significa que está disponible en cantidades suficientes. "Desafortunadamente, las propiedades fotofísicas de metales abundantes como el cromo o el hierro no son lo suficientemente buenas para ser útiles en aplicaciones tecnológicas, especialmente cuando se trata de la vida útil y las energías de sus estados excitados electrónicamente", explicó la profesora Katja Heinze del Departamento de Química de JGU. . Solo en los últimos años se ha logrado un progreso significativo en este sentido, siendo el equipo de Heinze uno de los principales contribuyentes. También estuvieron involucrados en el desarrollo de los llamados rubíes moleculares. Estos son compuestos moleculares solubles que poseen 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 de gran escala

El equipo de científicos de Maguncia y Berlín ha logrado ahora otro avance. "En el proceso, observamos un mecanismo novedoso y comprendimos en detalle la alta eficiencia de los nuevos compuestos de cromo", dijo el profesor Christoph Kerzig. Los científicos lograron observar directamente la ruta inusual de transferencia de energía utilizando una configuración láser instalada recientemente en el grupo Kerzig. Esta denominada técnica de fotólisis por destello láser les permitió detectar todos los intermediarios 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 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 pueden desarrollar nuevas reacciones impulsadas por la luz utilizando el cromo, un metal común en el futuro, en lugar de utilizar los raros y más costosos compuestos de rutenio e iridio, que en la actualidad siguen siendo los más utilizados. "Junto con nuestros socios en BAM en Berlín y otras universidades, continuaremos impulsando nuestros esfuerzos para desarrollar una fotoquímica más sostenible", dijo la profesora Katja Heinze.

Los resultados del grupo se han publicado en Angewandte Chemie . + Explora más

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