Fotosíntesis artificial

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La mayor parte de la energía que alimenta nuestras vidas proviene de las plantas. Ya sea un combustible fósil que se formó hace cientos de millones de años o el alimento que comemos, toda la energía que proviene del carbono tiene sus orígenes primero en la fotosíntesis de las plantas y finalmente en la energía solar.

Las tecnologías de energía solar actualmente industrializadas son utilizadas principalmente para generar calor y electricidad, que no pueden almacenarse por mucho tiempo o en grandes cantidades.

Por eso seguimos recurriendo a los combustibles fósiles, que al quemarse contaminan y que además se están agotando.

Esto preocupa a investigadores de todo el mundo que están buscando métodos para imitar el proceso que usan las plantas para generar energía, a través de la fotosíntesis artificial.

La fotosíntesis artificial convierte la energía solar en energía química en forma de productos (combustibles solares) como el hidrógeno -mediante la división de la molécula de agua-, o como el metanol, el metano y similares -por conversión de anhidrido carbónico y agua.

Si se pudiera desarrollar en gran escala, es probable que una gran parte de nuestras necesidades de combustible pueda suministrarse desde estas fábricas que podrían ubicarse dondequiera que la luz del sol y el agua sean abundantes.

Esta idea para producir combustibles solares ha sido discutida por más de 100 años, siendo pionero el científico italiano Giacomo Ciamician, quien la propuso en su famosa conferencia "La fotoquímica del futuro" de 1912.

Primero, la energía de la luz necesita ser cosechada. Las plantas lo hacen mediante un complejo de captación llamado "moléculas de antena" que se encuentran en los cloroplastos de las hojas.

Luego, las plantas utilizan la energía extraída de la luz para crear energía libre en forma de electrones y moléculas de oxígeno y de hidrógeno a partir de la división de las del agua.

Los electrones reciben otro impulso de energía de otro fotón de la luz solar, y se generan moléculas de carbono a partir de la división del dióxido de carbono.

La clave de estos procesos son los catalizadores, que tienen que ser capaces de absorber la luz y liberar energía en forma de electrones, y esto es lo que cuesta tanto reproducir en grandes escalas en forma artificial.

A pesar de los rápidos avances alcanzados en la construcción de sistemas fotosintéticos semi-artificiales y artificiales, sigue siendo un reto la obtención de combustibles moleculares como el hidrógeno y el peróxido de hidrógeno a un costo que pueda competir con los combustibles fósiles.

En pequeñas escalas, ya se cuenta con "hojas artificiales", como la desarrollada por Daniel Nocera y su equipo, del Instituto Tecnológico de Massachusetts, que está hecha de materiales económicos y abundantes, principalmente silicona, cobalto y níquel, y funciona en agua ordinaria. 

La hoja artificial es una lámina delgada de una silicona semiconductora, el material con el que están fabricadas las células solares, que convierte la energía de la luz solar en un flujo de electricidad inalámbrica dentro de la lámina. Unida a la silicona hay una capa de un catalizador a base de cobalto que libera oxígeno. La otra cara de la lámina de silicona está recubierta con un capa de una aleación de níquel-molibdeno-zinc, que libera hidrógeno. La luz genera un flujo de electricidad que hace que las moléculas de agua, con la ayuda de los catalizadores, se dividan en oxígeno e hidrógeno, que brotan de las dos superficies.

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Fuentes:

El-Khouly ME et al. 2017. Solar energy conversion: From natural to artificial photosynthesis.  Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews 31:36–83

Li H, Zhang X & MacFarlane DR. 2015. Carbon Quantum Dots/Cu 2O Heterostructures for Solar-Light-Driven Conversion of CO 2 to Methanol .Adv. Energy Mater, 1401077, 6pp

Reece S et al. 2011. Wireless Solar Water Splitting Using Silicon-Based Semiconductors and Earth-Abundant Catalysts. Science  29 Sep:
1209816 DOI: 10.1126/science.1209816

Xu Y et al. 2017. Strategies for Efficient Charge Separation and Transfer in Artificial Photosynthesis of Solar Fuels. ChemSusChem, 10: 4277–4305, DOI: 10.1002/cssc.201701598

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