La mayoría de las reacciones químicas dependen del calor para desarrollarse, pero recientemente la luz se ha convertido en una alternativa importante. El uso de la luz permite guiar reacciones con un control muy fino, un campo conocido como fotoquímica. Hasta ahora, muchos de estos procesos impulsados por la luz se han basado en rutenio, osmio o iridio, elementos que son caros, escasos y crean preocupaciones ambientales cuando se extraen.
Investigadores de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (JGU) han desarrollado un nuevo complejo metálico a partir de manganeso, un material barato y ampliamente disponible. “Este complejo metálico establece un nuevo estándar en fotoquímica: combina una vida útil récord en estado excitado con una síntesis sencilla”, explica Katja Heinze, profesora del Departamento de Química de la JGU. “Por tanto, ofrece una alternativa sólida y sostenible a los complejos de metales nobles que han dominado durante mucho tiempo la química impulsada por la luz”. El estudio fue publicado recientemente comunicación de la naturaleza.
Una ruta de un solo paso hacia un complejo de manganeso de alto rendimiento
El manganeso es 100.000 veces más común en la Tierra que el rutenio, pero rara vez se ha utilizado con éxito en sistemas fotoquímicos. Dos obstáculos importantes lo frenaron: la mayoría de los complejos de manganeso requerían una síntesis larga y complicada que implicaba nueve o diez pasos y, por lo general, tenían estados excitados muy cortos.
“El complejo de manganeso recientemente desarrollado supera ambos desafíos”, afirmó el Dr. Nathan East, ex estudiante de doctorado del grupo Heinze que realizó la síntesis inicial. El equipo creó el material directamente a partir de materiales disponibles comercialmente en un solo paso de síntesis.
Para ajustar el comportamiento del complejo, los investigadores combinaron manganeso con un ligando que ajusta sus propiedades electrónicas. Según Sandra Kronenberger, que investigó el complejo como estudiante de doctorado en el grupo Heinze del Centro de Graduados Max Planck (MPGC), al mezclar una sal de manganeso incolora con un ligando incoloro se produjo una solución púrpura inesperadamente intensa que parecía tinta. Señaló que este llamativo color indica que el complejo se formó de una manera inusual.
El Dr. Christoph Forster, que contribuyó a los cálculos químicos cuánticos, destacó que el complejo hace más que simplemente parecer inusual. Su capacidad para absorber la luz es extremadamente fuerte, lo que le otorga una probabilidad muy alta de capturar partículas de luz entrantes. Como resultado, utiliza energía luminosa con una eficiencia excepcional.
Comportamiento de estado excitado que establece registros
“La vida útil del complejo de 190 nanosegundos también es notable. Es dos órdenes de magnitud más larga que los complejos previamente conocidos que contienen metales comunes como el hierro o el manganeso”, dijo el Dr. Robert Naumann, espectroscopista principal que analizó cómo se comporta el estado excitado mediante espectroscopia de luminiscencia. En fotoquímica, la luz energiza el catalizador, y el catalizador excitado debe encontrar otra molécula por difusión para que pueda pasar un electrón. Dado que este encuentro puede durar varios nanosegundos, es esencial un estado de excitación duradero.
Los investigadores confirmaron que el complejo realiza este paso clave. “Pudimos detectar el producto primario de la fotorreacción, la transferencia de electrones que tuvo lugar, y demostrar así que el complejo reacciona como se desea”, afirma el profesor Heinz.
Potencial para una fotoquímica escalable de energía limpia
Este avance amplía las posibilidades de sistemas fotoquímicos sostenibles. Con su síntesis sencilla y escalable, su fuerte absorción de luz, sus propiedades fotofísicas estables y sus estados excitados de larga duración, los materiales a base de manganeso pueden respaldar futuras aplicaciones fotoquímicas a gran escala. Estas capacidades pueden resultar especialmente prometedoras para las tecnologías relacionadas con la producción sostenible de hidrógeno.
