Propiedades Fotoelectroquímicas Propiedades Fotoelectroquímicas de soluciones Agua – Melaninade soluciones Agua – Melanina

Luis Emilio Rendón Díaz MirónLuis Emilio Rendón Díaz Mirón

Subcoordinación de Obras y EquiposSubcoordinación de Obras y EquiposInstituto Mexicano de Tecnología del AguaInstituto Mexicano de Tecnología del Agua

Arturo Solís Herrera, Fabián De La SernaArturo Solís Herrera, Fabián De La Serna

Centro de Estudios de la Fotosíntesis en Humanos. Centro de Estudios de la Fotosíntesis en Humanos. S.C., Aguascalientes, Ags., México.S.C., Aguascalientes, Ags., México.

BiocombustiblesBiocombustibles“alcohol”“alcohol”

Celda FotovoltaicaCelda Fotovoltaica

Celda FotoelectroquímicaCelda Fotoelectroquímica

Estrategia para la conversión de la energía solarEstrategia para la conversión de la energía solar

conversión conversión FototérmicaFototérmica

La idea consiste en elaborar una celda La idea consiste en elaborar una celda fotoelectroquímicafotoelectroquímica

Recipientes para las celdasRecipientes para las celdas

Se uso una solución de agua-melanina, electrodos de Se uso una solución de agua-melanina, electrodos de cobre y aluminio y…cobre y aluminio y…

Helo aquí: una celda fotoelectroquímica:Helo aquí: una celda fotoelectroquímica:

Voltaje 2.9 volts Voltaje 2.9 volts →→

←← Corriente 4.83 mACorriente 4.83 mA

El equivalente a un panel de celdas El equivalente a un panel de celdas fotoelectroquímicasfotoelectroquímicas

Las celdas funcionanLas celdas funcionan

Que es – La MelaninaQue es – La Melanina Las melaninas son macromoléculas biológicas encontradas en toda Las melaninas son macromoléculas biológicas encontradas en toda

la biosferala biosfera

Hay varios tipos de melaninas:Hay varios tipos de melaninas:• Eumelaninas Eumelaninas (pelo negro)(pelo negro)• Feomelanina Feomelanina (pelo castaño o pelirrojo)(pelo castaño o pelirrojo)• Neuromelaninas Neuromelaninas (base del cerebro)(base del cerebro)

En los humanos la forma predominante es la eumelanina En los humanos la forma predominante es la eumelanina

(y en menor cantidad la feomelanina)(y en menor cantidad la feomelanina)• Piel, pelo y ojos –fotoprotector y pigmento–Piel, pelo y ojos –fotoprotector y pigmento–• Base del cerebro, oído interno Base del cerebro, oído interno

“Gatos blancos con ojos azules son usualmente sordos”(Charles Darwin)

– – Propiedades de la Melanina –Propiedades de la Melanina – De color intenso – Alto coeficiente de extinción en el UV y la De color intenso – Alto coeficiente de extinción en el UV y la

luz visible (absorbente extremadamente eficiente en el UV)luz visible (absorbente extremadamente eficiente en el UV) Anti-oxidante y colector de radicales libresAnti-oxidante y colector de radicales libres

Existe un fuerte Existe un fuerte acoplamiento entre los acoplamiento entre los estados estados

electrónicamente electrónicamente excitados y los modosexcitados y los modos fononicos fononicos

(por eso desactiva la (por eso desactiva la radiación dañinaradiación dañina))

Síntesis de melaninaSíntesis de melanina

OHNH2

COOH

OH

OH

NH2

COOH COOH

NH2

O

O

NHOH

OH

COOH

O

COOH

NOHNHOH

OH

NHOH

OH

COOHeumelanina

tyrosina dopa dopaquinona

leucadopachromedopachromeDHI

DHICA

polímero extendidopolímero extendido

oligomero oligomero nano-agregadonano-agregado

La Melanina se polimeriza La Melanina se polimeriza como:como:

Estructura Física - electrónicaEstructura Física - electrónica A nivel molecular, la conductividad A nivel molecular, la conductividad

eléctrica es consistente con el modelo eléctrica es consistente con el modelo del polímetro “conjugado” :del polímetro “conjugado” :• alto grado de conjugación alto grado de conjugación

(alternando ligaduras dobles y (alternando ligaduras dobles y sencillas)sencillas)

• la molécula esta formada por un la molécula esta formada por un esqueleto rígido de ligaduras que se esqueleto rígido de ligaduras que se traslapan formando orbitales traslapan formando orbitales híbridos sphíbridos sp22 para dar ligaduras para dar ligaduras gigantes gigantes

• Permaneciendo fuera del plano los Permaneciendo fuera del plano los orbitales porbitales pzz de los átomos de carbón de los átomos de carbón vecinos (o N) también se traslapan vecinos (o N) también se traslapan para dar las ligaduras para dar las ligaduras

• Los electrones constituyentes de las Los electrones constituyentes de las ligaduras ligaduras están deslocalizados están deslocalizados sobre toda la moléculasobre toda la molécula

• Los orbitales moleculares asociados Los orbitales moleculares asociados con las ligaduras con las ligaduras pueden ser pueden ser orbitales de enlace (orbitales de enlace () o anti-enlace ) o anti-enlace ((*)*)

• ““la absorción” esta asociada con la la absorción” esta asociada con la transición HOMO a LUMOtransición HOMO a LUMO ( (highest occupied highest occupied

molecular orbital y lowest unoccupied molecular orbitalmolecular orbital y lowest unoccupied molecular orbital))

plane

pz planeOverlapping pz

forming and *molecular orbitals

El orbital anti unión tiene mayor energía = Ec

El orbital de unión tiene menor energía = Ev

Estructura Física - electrónicaEstructura Física - electrónica

• A nivel mesoscopico, la A nivel mesoscopico, la melanina sintética se melanina sintética se comporta como un comporta como un semiconductor amorfo:semiconductor amorfo:

• Ancho de banda pequeña Ancho de banda pequeña consistente con el ancho consistente con el ancho de banda UV;de banda UV;

• El nivel de Fermi esta El nivel de Fermi esta densamente poblado;densamente poblado;

• Consistentemente con las Consistentemente con las observaciones a nivel observaciones a nivel mesoscopico el material – mesoscopico el material – no es cristalinono es cristalino

EF

EV

EC

E

N(E)

1.40eV

0.78eV

0.2eV

{A partir de medidas de conductividad DC}

Como trabaja la celdaComo trabaja la celda

Realmente lo que logramos Realmente lo que logramos fue descubrir:fue descubrir:

la inesperada capacidad la inesperada capacidad de la melanina para de la melanina para

disociar la molécula de disociar la molécula de aguaagua

Publicado en NaturePublicado en Nature

Expectativa para las celdas Expectativa para las celdas fotoelectroquímicasfotoelectroquímicas

Resumen & ConclusionesResumen & Conclusiones Las aplicaciones fotoelectroquímicas de la melanina Las aplicaciones fotoelectroquímicas de la melanina

han despertado fuerte interés en la comunidad han despertado fuerte interés en la comunidad científica;científica;

Puede llegar a ser una fuente importante de energía;Puede llegar a ser una fuente importante de energía;

Es una aplicación particularmente útil para países en Es una aplicación particularmente útil para países en desarrollo;desarrollo;

Celdas de muy bajo costo;Celdas de muy bajo costo;

Mecanismo similar a las celdas fotovoltaicas, sin Mecanismo similar a las celdas fotovoltaicas, sin embargo, de manufactura mas sencilla.embargo, de manufactura mas sencilla.

GRACIASGRACIAS

Se necesitan tiempos tormentosos Se necesitan tiempos tormentosos para liberar al “gato encerrado” en para liberar al “gato encerrado” en

esto de la energía sustentableesto de la energía sustentable