Reducción fotocatalítica de CO2 impulsada por infrarrojo cercano hacia hidrocarburos C2 mediante marcos de haluro de plomo funcionalizados con bis(terpiridina)-metal

Convertir la contaminación por carbono en combustible útil

La mayor parte de la luz solar que llega a la Tierra no lo hace en forma de luz visible, sino como un resplandor invisible en el infrarrojo cercano. Sin embargo, la química impulsada por energía solar actual tiene dificultades para aprovechar esa luz de baja energía, especialmente en tareas difíciles como transformar el dióxido de carbono (CO2) en combustibles con varios átomos de carbono. Este estudio presenta una nueva clase de materiales sólidos que pueden absorber la luz del infrarrojo cercano y convertir directamente el CO2 en valiosos hidrocarburos de dos carbonos, como el etileno y el etano, apuntando a un uso más completo de la luz solar en futuras tecnologías de fotosíntesis artificial.

Por qué importa la luz del infrarrojo cercano

Las emisiones de CO2 por la quema de combustibles fósiles son un factor principal del cambio climático, y más de 130 países se han comprometido a alcanzar la neutralidad de carbono. Un enfoque atractivo es usar la luz solar para transformar el CO2 de nuevo en moléculas ricas en energía, cerrando el ciclo del carbono. No obstante, esta estrategia enfrenta dos grandes obstáculos. Primero, aproximadamente la mitad de la energía del sol se encuentra en la región del infrarrojo cercano, que la mayoría de los fotocatalizadores no puede absorber de forma eficiente. Segundo, incluso cuando el CO2 se reduce, los productos suelen ser moléculas de un solo carbono como monóxido de carbono o metano, no los más valiosos hidrocarburos de varios carbonos (C2+) que demanda la industria. Los nuevos materiales descritos aquí están diseñados para abordar ambos problemas a la vez: capturar la luz del infrarrojo cercano y favorecer el paso clave en el que dos fragmentos con carbono se unen para formar un enlace C–C.

Construyendo un cristal captador de luz

Los investigadores partieron de materiales híbridos de haluros de plomo, una familia ya conocida por su fuerte absorción de luz y buen transporte de carga, y los diseñaron como marcos tridimensionales robustos. Vincularon pequeños clústeres de plomo e iones haluro (cloruro, bromuro o yoduro) con grandes moléculas “antena” construidas alrededor de hierro, cobalto o níquel. Estas antenas orgánicas, basadas en unidades de terpiridina, son excelentes para absorber luz y mantener electrones excitados el tiempo suficiente para que ocurra química. Al conectar los clústeres metal‑haluro a las antenas mediante enlaces carboxilato resistentes, el equipo creó nueve marcos cristalinos de componente único que permanecen estables en diversos disolventes, a lo largo de un rango de acidez y hasta aproximadamente 220 °C.

Capturar más del espectro solar

Mediciones ópticas mostraron que los nueve marcos absorben luz desde el ultravioleta, pasando por el visible y bien adentrándose en el infrarrojo cercano, hasta aproximadamente 1150 nanómetros. Las versiones basadas en hierro tienen las brechas de banda más estrechas, lo que significa que pueden aprovechar fotones de menor energía. Estudios electrónicos detallados y cálculos por ordenador revelaron que las antenas orgánicas suministran principalmente los estados electrónicos “iniciales”, mientras que las unidades de plomo‑haluro aceptan los electrones excitados. Cuando la luz incide, los electrones se trasladan desde las unidades de terpiridina hacia los sitios de plomo, ayudando a separar la carga y evitando la recombinación inútil. Los marcos con yoduro se distinguen aún más: la forma en que las moléculas de disolvente se unen a los clústeres de plomo‑yoduro crea un entorno local asimétrico, polarizando la carga en sitios de plomo vecinos y preparando el terreno para una formación eficiente del enlace C–C.

De gas a combustibles de dos carbonos

En ensayos fotocatalíticos, los materiales se suspendieron en una solución saturada de CO2 y se iluminaron con una lámpara de xenón. Las versiones con cloruro y bromuro produjeron principalmente monóxido de carbono y metano, sin formar productos C2 detectables. En contraste, los marcos con yoduro, en especial el TJU‑60(I)‑Fe(tpy)2 basado en hierro, favorecieron hidrocarburos de dos carbonos: bajo luz de espectro completo generaron cantidades apreciables de etileno y etano con alta selectividad. Incluso bajo luz estrictamente del infrarrojo cercano (longitudes de onda por encima de 700 nm), donde los fotones tienen menos energía, el mismo material siguió convirtiendo CO2 en una mezcla de productos dominada por hidrocarburos C2, alcanzando una selectividad C2 de hasta el 86% en base a electrones. Experimentos de control con 13CO2 isotópicamente marcado confirmaron que todo el carbono en los productos procedía del CO2, y ciclos de reacción repetidos mostraron que los cristales mantenían su estructura mientras liberaban solo trazas de plomo.

Cómo guía el material la reacción

Para entender por qué los marcos con yoduro se comportan tan diferente, el equipo combinó espectroscopía avanzada con modelado químico‑cuántico. Encontraron que, tras la absorción de luz, los electrones se desplazan desde las antenas de terpiridina hacia los clústeres de plomo‑yoduro, donde se acumulan en dos sitios de plomo vecinos, pero cargados de forma desigual. Las moléculas de CO2 se unen a estos sitios en una forma doblada y activada, con sus enlaces estirados y listas para reaccionar. Mediciones infrarrojas durante la reacción revelaron una serie de intermedios efímeros, incluido uno en el que dos fragmentos con carbono se unen para formar una especie *COCOH—una señal del primer enlace C–C. Los cálculos mostraron que el par polarizado de sitios de plomo estabiliza a ambos intervinientes y reduce la barrera energética para este paso de acoplamiento, dirigiendo la reacción hacia productos de dos carbonos en lugar de detenerse en gases de un carbono.

Qué significa esto para los combustibles solares

En términos sencillos, los investigadores han construido un cristal que actúa como una pequeña refinería solar, capaz de aprovechar no solo la luz visible sino también el débil resplandor del infrarrojo cercano, y de canalizar esa energía para unir dos átomos de carbono procedentes del CO2. Al moldear cuidadosamente el patrón de carga local alrededor de los átomos de plomo, convirtieron un absorbente de luz pasivo en un sitio activo para la formación de enlaces carbono–carbono. Aunque estos materiales no están listos para una aplicación industrial—y su contenido en plomo requerirá manejo cuidadoso—demuestran un concepto potente: con diseño molecular inteligente, es posible aprovechar casi todo el espectro solar y convertir selectivamente un gas de efecto invernadero en combustibles más complejos y ricos en energía.

Cita: Li, Y., Wang, Z., He, X. et al. Near-infrared-driven photocatalytic CO₂ reduction to C₂ hydrocarbons by bis(terpyridine)-metal functionalized lead halide frameworks. Nat Commun 17, 1743 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68450-z

Palabras clave: reducción de CO2, fotocatálisis en el infrarrojo cercano, <keyword>marcos de haluro de plomo, hidrocarburos C2