Convertir la energía solar en combustible de hidrógeno, con la ayuda de la fotosíntesis

El crecimiento económico mundial viene acompañado de una creciente demanda de energía, pero el aumento de la producción de energía puede llegar a ser un desafío. Recientemente, los científicos han logrado una eficiencia récord en la conversión de energía solar en combustible, y ahora quieren incorporar la maquinaria de la fotosíntesis para impulsarla aún más.

"Queremos fabricar un sistema fotocatalítico que utilice la luz solar para impulsar reacciones químicas de importancia ambiental", dice el Dr. Lilac Amirav, investigador principal del proyecto.

Específicamente, su grupo en el Instituto de Tecnología de Israel está diseñando un fotocatalizador que puede descomponer el agua en combustible de hidrógeno. "Cuando colocamos nuestras nanopartículas en forma de varilla en el agua y les proporcionamos luz, generan cargas eléctricas positivas y negativas", dice Amirav. "Las moléculas de agua se rompen; las cargas negativas producen hidrógeno (reducción), y las cargas positivas producen oxígeno (oxidación). Las dos reacciones, que implican a las cargas positivas y negativas, deben tener lugar simultáneamente. Sin aprovechar las cargas positivas, las cargas negativas no pueden ser encaminadas para producir el hidrógeno deseado".

Si las cargas positivas y negativas, que se atraen entre sí, logran recombinarse, se cancelan mutuamente y se pierde la energía. Así que, para asegurarse de que las cargas están lo suficientemente separadas, el equipo ha construido heteroestructuras únicas compuestas por una combinación de diferentes semiconductores, junto con catalizadores de metal y óxido de metal. Utilizando un sistema modelo, estudiaron las reacciones de reducción y oxidación por separado y alteraron la heteroestructura para optimizar la producción de combustible.

Hidrógeno. (Foto: Pixabay)

En 2016, el equipo diseñó una heteroestructura con un punto cuántico esférico de cadmio-seleniuro incrustado en una pieza de sulfuro de cadmio con forma de barra. Una partícula metálica de platino se encontraba en la punta. La partícula de cadmio-seleniuro atraía cargas positivas, mientras que las cargas negativas se acumulaban en la punta. "Ajustando el tamaño del punto cuántico y la longitud de la varilla, así como otros parámetros, conseguimos una conversión del 100% de la luz solar en hidrógeno a partir de la reducción de agua", dice Amirav. Una sola nanopartícula fotocatalizadora puede producir 360.000 moléculas de hidrógeno por hora, señala.

El grupo publicó sus resultados en la revista Nano Letters de la ACS. Pero en estos experimentos, estudiaron solo la mitad de la reacción (la reducción). Para un funcionamiento adecuado, el sistema fotocatalítico debe soportar tanto las reacciones de reducción como las de oxidación. "No estábamos convirtiendo la energía solar en combustible todavía", dice Amirav. "Todavía necesitábamos una reacción de oxidación que proporcionara continuamente electrones al punto cuántico". La reacción de oxidación del agua ocurre en un proceso de varios pasos, y como resultado de ello sigue siendo un reto significativo. Además, sus subproductos parecen comprometer la estabilidad del semiconductor.

Junto con unos colaboradores, el grupo exploró un nuevo enfoque - buscar diferentes compuestos que pudieran oxidarse en lugar de agua - que los llevó a la benzilamina. Los investigadores encontraron que podían producir hidrógeno a partir del agua, mientras que simultáneamente transformaban la bencilamina en benzaldehído. "Con esta investigación, hemos transformado el proceso de la fotocatálisis a la fotosíntesis, es decir, la conversión genuina de energía solar en combustible", dice Amirav. El sistema fotocatalítico realiza una verdadera conversión de la energía solar en enlaces químicos almacenables, con una eficiencia máxima de conversión de energía solar a química del 4,2%. "Esta cifra establece un nuevo récord mundial en el campo de la fotocatálisis, y duplica el récord anterior", señala. "El Departamento de Energía de los Estados Unidos definió el 5-10% como el 'umbral de viabilidad práctica' para la generación de hidrógeno a través de la fotocatálisis. Por lo tanto, estamos a las puertas de una conversión solar a hidrógeno económicamente viable".

Estos impresionantes resultados han motivado a los investigadores a ver si hay otros compuestos con altas conversiones solares a químicas. Para ello, el equipo está usando inteligencia artificial. A través de una colaboración, los investigadores están desarrollando un algoritmo para buscar estructuras químicas para un compuesto ideal para la producción de combustible. Además, están investigando formas de mejorar su fotosistema, y una forma podría ser inspirarse en la naturaleza. Un complejo proteínico en las membranas celulares de las plantas que comprende el circuito eléctrico de la fotosíntesis fue combinado con éxito con nanopartículas. Amirav dice que este sistema artificial hasta ahora ha demostrado ser fructífero, apoyando la oxidación del agua y proporcionando una fotocorriente 100 veces mayor que la producida por otros sistemas similares. (Fuente: NCYT Amazings)