Energía solar convertida en combustible de hidrógeno con fotosíntesis
Científicos del Instituto de Tecnología de Israel están diseñando un fotocatalizador que puede descomponer el agua en combustible de hidrógeno.
"Queremos fabricar un sistema fotocatalítico que utilice la luz solar para impulsar reacciones químicas de importancia ambiental", dice el estudiante de doctorado Lilac Amirav investigador principal del proyecto, presentado en la Reunión y Exposición Virtual de Otoño de 2020 de la American Chemical Society (ACS).
"Cuando colocamos nuestras nanopartículas en forma de varilla en agua y las iluminamos, 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 involucran las cargas positiva y negativa, deben tener lugar simultáneamente. Sin aprovechar las cargas positivas, el las cargas negativas no se pueden encaminar para producir el hidrógeno deseado”.
Si las cargas positivas y negativas, que se atraen entre sí, logran recombinarse, se anulan entre sí y se pierde la energía. Por lo tanto, para asegurarse de que las cargas estén 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.
En 2016, el equipo diseñó una heteroestructura con un punto cuántico esférico de seleniuro de cadmio incrustado dentro de una pieza en forma de barra de sulfuro de cadmio. Una partícula metálica de platino se ubicó en la punta. La partícula de seleniuro de cadmio atrajo cargas positivas, mientras que las cargas negativas se acumularon en la punta.
"Ajustando el tamaño del punto cuántico y la longitud de la varilla, así como otros parámetros, logramos una conversión del 100% de la luz solar en hidrógeno a partir de la reducción del agua", dice Amirav. Una sola nanopartícula de fotocatalizador puede producir 360.000 moléculas de hidrógeno por hora, señala.
El grupo publicó sus resultados en la revista ACS Nano Letters. Pero en estos experimentos, estudiaron solo la mitad de la reacción (la reducción). Para un funcionamiento adecuado, el sistema fotocatalítico debe soportar reacciones tanto de reducción como de oxidación. "Todavía no estábamos convirtiendo la energía solar en combustible", dice Amirav. "Todavía necesitábamos una reacción de oxidación que continuamente proporcionara electrones al punto cuántico". La reacción de oxidación del agua se produce en un proceso de varios pasos y, como resultado, sigue siendo un desafío importante. Además, sus subproductos parecen comprometer la estabilidad del semiconductor.
Junto con los colaboradores, el grupo exploró un nuevo enfoque, buscando diferentes compuestos que pudieran oxidarse en lugar de agua, que los llevó a la bencilamina. Los investigadores descubrieron que podían producir hidrógeno a partir del agua y, al mismo tiempo, transformar la bencilamina en benzaldehído. "Con esta investigación, hemos transformado el proceso de fotocatálisis a fotosíntesis, es decir, 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 un máximo del 4,2% de eficiencia de conversión de energía solar a química. "Esta cifra establece un nuevo récord mundial en el campo de la fotocatálisis y duplica el récord anterior", apunta. "El Departamento de Energía de EE.UU. definió del 5 al 10% como el 'umbral de viabilidad práctica' para generar hidrógeno a través de la fotocatálisis. Por lo tanto, estamos a las puertas de la conversión de energía solar a hidrógeno económicamente viable".
Estos impresionantes resultados han motivado a los investigadores a ver si hay otros compuestos con altas conversiones de energía solar a química. Para hacerlo, el equipo utiliza inteligencia artificial. A través de una colaboración, los investigadores están desarrollando un algoritmo para buscar estructuras químicas para un compuesto productor de combustible ideal.
Además, están investigando formas de mejorar su fotosistema, y una forma podría ser inspirarse en la naturaleza. Un complejo de proteínas en las membranas de las células vegetales que comprende los circuitos eléctricos de la fotosíntesis se combinó con éxito con nanopartículas. Amirav dice que este sistema artificial hasta ahora ha demostrado ser fructífero, ya que sustenta la oxidación del agua al tiempo que proporciona una fotocorriente que es 100 veces mayor que la producida por otros sistemas similares.