Cómo la fotosíntesis puede inspirar nuevos y más eficientes dispositivos de captación de energía solar

Las fuentes eficientes de energía renovable siguen siendo fundamentales para abordar el aumento del consumo de recursos. La producción de combustible solar catalítico promete combinar el aprovechamiento de la energía lumínica con productos químicos eficientes y recursos abundantes. Las plantas, por ejemplo, usan la fotosíntesis para recolectar energía de la luz solar.

Inspirándose en ellas, ahora, investigadores de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) han aplicado este principio como base para desarrollar nuevos procesos sostenibles que en el futuro puedan producir syngas (gas sintético) para la industria química a gran escala y permita, entre otras cosas, cargar baterías. Los hallazgos acaban de publicarse en Advanced Materials.

El gas de síntesis, una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno, es un producto intermedio importante en la fabricación de muchas materias primas químicas como el amoníaco, el metanol y los combustibles de hidrocarburos sintéticos. Actualmente, se fabrica casi exclusivamente con materias primas fósiles.

Un polvo amarillo, desarrollado por un equipo de investigación que dirigí por Fischer, podría cambiar esto. Los científicos se inspiraron en la fotosíntesis, el proceso que utilizan las plantas para producir energía química a partir de la luz. La naturaleza necesita dióxido de carbono y agua para la fotosíntesis. El nanomaterial desarrollado por los especialistas imita las propiedades de las enzimas involucradas en la fotosíntesis. La nanozima (así la han llamado) produce gas de síntesis utilizando dióxido de carbono, agua y luz de manera similar.

Estándares de eficiencia

Philip Stanley, quien abordó el tema como parte de su tesis doctoral y es uno de los autores del documento, explicó: “Una molécula asume la función de una antena de energía, del mismo modo que una molécula de clorofila en las plantas. Recibe luz y los electrones pasan a una reacción centro, el catalizador”. El aspecto innovador del sistema de los investigadores es que ahora han presentado dos centros de reacción que están conectados a la antena. Uno de ellos convierte el dióxido de carbono en monóxido, mientras que el otro hace lo propio con el agua para transformarla en hidrógeno.

El mayor desafío de diseño fue disponer la antena, el mecanismo para pasar los electrones y los dos catalizadores, de tal manera que se logre el mayor rendimiento posible de la luz. ”Nuestro rendimiento energético de la luz fue espectacularmente alto. Logramos convertir hasta un tercio de los fotones en energía química. Los sistemas anteriores a menudo alcanzaban un décimo en el mejor de los casos. Este resultado genera esperanzas de que la realización técnica podría hacer que los procesos químicos industriales sean más sostenibles” indicó Stanley.

En un proyecto separado, los investigadores están trabajando en otro material que usa la energía de la luz del sol, pero en este caso la almacena como energía eléctrica. Una posible aplicación futura podría ser baterías que se carguen con la luz del sol, sin tener que pasar por el enchufe de la pared. Los científicos utilizaron componentes similares a los de la nanozima al desarrollar estos fotoacumuladores. Aquí también el propio material absorbe fotones de la luz incidente. Pero en lugar de servir como catalizador para una reacción química, el receptor de energía está tan estrechamente integrado en la estructura que permanece en este estado, haciendo posible el almacenamiento de los electrones durante un período más largo.

Los especialistas han demostrado la viabilidad del sistema en el laboratorio. “Hay dos formas de hacer uso directo de la energía solar. O recolectamos energía eléctrica de él o la usamos para impulsar reacciones químicas. Estos dos sistemas, ambos basados en el mismo principio, muestran que hemos tenido éxito experimentalmente” resumió Julien Warnan, líder del grupo de fotocatálisis y también parte de la investigación.

El mismo equipo de trabajo se encuentra trabajando en perfeccionar las capacidades prácticas de uso de sus recientes descubrimientos. De esta investigación también participaron: Alice Y. Su, Vanessa Ramm, Pascal Fink, Ceren Kimna, Oliver Lieleg, Martin Elsner, Johannes A. Lercher y Bernhard Rieger.

* Roland Fischer es profesor de la cátedra de Química Inorgánica y Metal-Orgánica del Departamento de Química y Centro de Investigación de Catálisis (CRC) en Facultad de Ciencias Naturales de la Universidad Técnica de Munich (TUM).

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