Fisicoquímica

Fotoquímica

Un cromóforo es la parte o conjunto de átomos de una molécula responsable de su color. También se puede definir como una sustancia que tiene muchos electrones capaces de absorber energía o luz visible, y excitarse para así emitir diversos colores, dependiendo de las longitudes de onda de la energía emitida por el cambio de nivel energético de los electrones, de estado excitado a estado fundamental o basal.

Cuando una molécula absorbe ciertas longitudes de onda de luz visible y transmite o refleja otras, la molécula tiene un color. Un cromóforo es una región molecular donde la diferencia de energía entre dos orbitales moleculares cae dentro del rango del espectro visible. La luz visible que incide en el cromóforo puede también ser absorbida excitando un electrón a partir de su estado de reposo.

En las moléculas biológicas útiles para capturar o detectar energía lumínica, el cromóforo es la semimolécula que causa un cambio en la conformación del conjunto al recibir luz.

Cromoforos:

La primera ley de la fotoquímica (Grotthus e Draper, 1818) dice que solo la radiación absorbida puede promover alteraciones fotoquímicas. La absorción de la radiación ultravioleta es visible y es la que mas a menudo promueve reacciones fotobiológicas la cual se realiza por modificaciones electrónicas en los átomos constituyentes de las moléculas. El estado básico y fundamental de una molécula es alterado por la absorción de la energía de un fotón, circunstancia en que el fotón se extingue, integrando su energía con la de la molécula. Cada molécula es apenas capaz de absorber energía en una franja de radiación más o menos larga, pero siempre limitada que se llama espectro de absorción de la sustancia.

La primera ley de la fotoquímica (Grotthus e Draper, 1818) dice que solo la radiación absorbida puede promover alteraciones fotoquímicas.

La absorción de la radiación ultravioleta es visible y es la que mas a menudo promueve reacciones fotobiológicas la cual se realiza por modificaciones electrónicas en los átomos constituyentes de las moléculas.

El estado básico y fundamental de una molécula es alterado por la absorción de la energía de un fotón, circunstancia en que el fotón se extingue, integrando su energía con la de la molécula.

Cada molécula es apenas capaz de absorber energía en una franja de radiación más o menos larga, pero siempre limitada que se llama espectro de absorción de la sustancia.

Los estados de excitación electrónica son fugaces, durando apenas pequeñas fracciones de segundos. La molécula vuelve rápidamente a su estado básico y fundamental, liberando el exceso de energía que recibió por absorción del fotón.

La energía puede ser liberada bajo la forma de calor (energía de vibración) que es transmitida a las moléculas vecinas, bajo la forma de nueva energía electromagnética, por emisión de un fotón. Esto es lo que sucede en los fenómenos de fluorescencia y de fosforescencia.

Pero la energía acumulada en la molécula por absorción de un fotón es en algunos casos utilizada en reacciones químicas o fotoquímicas que están en la base de los fenómenos fotobiológicos, como ya se dijo.

Los estados de excitación electrónica son muy reactivos desde el punto de vista químico y por esa razón, desde que la molécula excitada encuentre, en tanto está en ese estado, un compuesto con quien poder reaccionar, se verifica una reacción fotoquímica.

Las sustancias que en los tejidos absorben la radiación se llaman cromóforos. En todos los fenómenos fotobiológicos existe por lo menos 1 cromóforo, más allá que en muchos casos no sea conocido.

En química un cromóforo  es cualquier molécula o parte de una molécula responsable por el color del material. Cuando la luz alcanza un cromóforo, la excitación de un electrón hace con que sean emitidos fotones de un color específico.

Una carga eléctrica logra viajar a través de una cadena de cromóforos  a una velocidad de 10 millones de ciclos por segundo, lo que significa que estos cromóforos son capaces de hacer cualquier cosa que los semiconductores orgánicos hacen, solo que mucho más rápidamente.

El espectro que promueve un determinado fenómeno fotobiológico se llama espectro de acción de ese fenómeno y en principio coincida con el espectro de absorción del cromóforo responsable.

A veces esto no es así por varias razones, entre las cuales contamos por ejemplo, la presencia de otros cromóforos que compiten en la absorción de radiación en determinadas franjas.

Las reacciones fotoquímicas son de dos tipos, designados I y II. En las reacciones del tipo I el cromóforo excitado reacciona con otras sustancias para formar nuevos compuestos llamados fotoproductos

c + hv ==> C

C + b ==> cb

c es el cromóforo en estado básico, hv el fotón, C el cromóforo en estado excitado, b un compuesto presente en los alrededores del cromóforo y cb es un fotoproducto.

Como se puede verificar, el cromóforo forma parte del fotoproducto y se consume en la reacción fotoquímica.

En las reacciones del tipo II la energía absorbida por el cromóforo es transferida para otra sustancia y es esta, la que posteriormente participará en la formación del fotoproducto, quedando el cromóforo libre y en estado básico, pudiendo iniciar de nuevo el proceso, pues no se consume en la reacción que promueve.

c + hv —> C

C + b —> c + B

B + d —> bd

C es el cromóforo en estado básico, hv el fotón, C es el cromóforo en estado excitado, b una substancia para la cual el cromóforo transfiere la energía absorbida, B es esa substancia luego de absorber la energía y pasar al estado de excitación, d es una sustancia presenten en los alrededores de B y bd es el fotoproducto.

Una célula fotoelectroquímica, también llamada célula solar fotoelectroquímica (en inglés Photoelectrochemical cell o PEC), es un dispositivo que permite la generación de manera simultánea o independiente tanto de energía eléctrica como de una sustancia química de interés, mediante una reacción electroquímica inducida por efecto fotoeléctrico.

Un ejemplo de aplicación es la célula fotolítica que sirve para la generación de hidrógeno por electrólisis del agua.

La Célula de Grätzel, inventada en la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPTL, Suiza) y que imita de manera artificial el fenómeno de la fotosíntesis, es un tipo de célula solar fotoelectroquímica que se encuentra en desarrollo como tecnología alternativa para la generación de energía renovable.

En 1972 se logró descomponer agua y obtener pequeñas cantidades de hidrógeno exponiendo una célula con un ánodo de dióxido de titanio (TiO₂) a la luz solar. A pesar de que la eficiencia obtenida y el rendimiento observados fueron muy bajos, se pudo demostrar que ello se debía a que el TiO₂ solo podía absorber la parte ultravioleta del espectro solar, abriéndose por ello la posibilidad de investigar sobre como desplazar su respuesta hacia el espectro visible.¹

No fue hasta principios de los años 1990 cuando se pudo encontrar una formulación satisfactoria para la composición de fotoánodo que se basó en el empleo de dióxido de titanio nanoporoso (nc-TiO₂) en combinación con un aditivo colorante sensitivizante.² Anteriormente, fueron muchas las sustancias alternativas ensayadas que resultaron sensibles al fenómeno de corrosión por fotocomposición o térmicamente inestables.

El progreso en la formulación permitió desde entonces aumentar el rendimiento de las células basadas en nc-TiO₂ nanoestructurado sensitivado con colorante hasta el umbral del 10%, suficiente para permitir la construcción en el 2001 de la primera planta de producción de células fotoelectroquímica a escala comercial en Australia.

Una célula fotoelectroquímica (PEC) es un tipo especial de célula solar que recoge la energía del Sol y la transforma ya sea en electricidad o energía química que se puede usar para dividir el agua y producir hidrógeno para su utilización en pilas de combustible. En un avance que podría ayudar a esta fuente de energía limpia jugar un papel más importante dentro de una red energética más eficiente y amigable con el ambiente, los investigadores de la Universidad de Texas, Arlington han encontrado una manera de almacenar la electricidad generada por una célula PEC durante largos períodos de tiempo y permitir que la electricidad sea suministrada durante todo el día.

En la actualidad, la electricidad generada por una célula PEC no puede ser almacenada de manera efectiva, ya que los electrones “desaparecen” rápidamente al caer en un estado de baja energía. Esto significa que estas células no eran una solución viable para una red de energía limpia, ya que la electricidad tiene que ser utilizada al poco tiempo después de ser producida. Es decir, en los días soleados, en momentos en que los paneles fotovoltaicos estándar ya estarían produciendo energía a toda velocidad.

Ahora, los investigadores Fuqiang Liu y sus colegas han creado una célula PEC que incluye un fotoelectrodo especialmente diseñado (el componente que convierte los fotones entrantes en electrones). A diferencia de los diseños anteriores, el fotoelectrodo híbrido de trióxido de tungsteno/dióxido de titanio (WO3/TiO2) puedealmacenar electrones efectivamente durante largos períodos de tiempo, allanando el camino para que las células PEC lleguen a jugar un papel más importante dentro de una red de energía inteligente.

El sistema también incluye una batería de flujo-redox de vanadio (VRB). Este es un tipo ya establecido y bien conocido de célula dealmacenamiento de energía que está muy bien adaptado a las necesidades de las redes eléctricas, ya que puede permanecer inactivo durante tiempos muy largos sin perder la carga, es mucho más seguro que una célula de iones de litio (aunque tiene una menor densidad de energía), es casi inmune a las temperaturas extremas, y se puede escalar muy fácilmente, simplemente aumentando el tamaño de sus tanques de electrolitos.

Según los investigadores, la batería de flujo de vanadio funciona especialmente bien con su electrodo híbrido, lo que les permite aumentar la corriente eléctrica, ofreciendo una gran reversibilidad (con 95 por ciento de eficiencia de Faraday) y permitiendo una alta capacidad de almacenamiento.

“Hemos demostrado el almacenamiento reversible de forma simultánea tanto de energía solar y los electrones en la célula”, declaró el autor principal del artículo Dong Liu. “La liberación de los electrones almacenados bajo condiciones de oscuridad continua elalmacenamiento de energía solar, lo que permite el almacenamientocontinuo durante todo el día.”

El equipo ahora está trabajando en la construcción de un prototipo más grande, con la esperanza de que esta tecnología podría ser utilizada para integrar mejor las células fotoelectroquímicas dentro de las redes de energía.