Fotosíntesis artificial: conversión de luz en combustible

Esquema simplificado de la fotosíntesis en las plantas

La fotosíntesis es la base de la vida tal como la conocemos, el nivel más bajo de la cadena trófica. Si bien no en su totalidad (hay alternativas residuales), sí en su aplastante mayoría. Y la idea es simple: aprovechar la energía de la luz solar convirtiéndola en energía química, que después podrá ser utilizada por el organismo para todo su ciclo vital.

Es una idea simple, pero que no hemos sabido copiar eficientemente. Al menos hasta ahora. Los científicos intentan desde hace tiempo desarrollar una versión artificial de la fotosíntesis que pueda usarse, por ejemplo, para producir combustibles líquidos a partir del dióxido de carbono y el agua.

Heinz Frei, químico de la División de Biociencias Físicas del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (el Berkeley Lab), ha conducido recientemente una investigación, con la colaboración de su colega de post-doctorado Feng Jiao, en la que han descubierto unos cristales de óxido de cobalto de tamaño nanométrico que pueden llevar a cabo con eficacia una parte crítica de la reacción fotosintética: separar en sus componentes (oxígeno, protones y electrones, siendo que estos últimos son las partes del hidrógeno) las moléculas de agua.

La fotosíntesis artificial para la producción de combustibles líquidos ofrece la promesa de una fuente renovable, y neutra en carbono, de energía transportable (con la importancia de este aspecto, tal como ya fue explicado en esta noticia). El hecho de ser neutra en carbono significa que no se agotaría ni contribuiría al calentamiento global, una vez que la oxidación del combustible emitiría tanto carbono (de hecho, el mismo) como el que había sido previamente fijado en la fotosíntesis artificial, no como cuando quemamos petróleo o carbón ahora, que no son provenientes de CO2 atmosférico fijado inmediatamente antes.

La idea es simular, y si fuera posible mejorar, el proceso que utilizan las plantas verdes y ciertas bacterias, recurriendo a la estrategia de integrar en una sola plataforma sistemas que puedan capturar los fotones solares y sistemas catalizadores que puedan oxidar el agua. Una vez obtenidos los protones y los electrones, no presenta tantos inconvenientes el invertir su energía química asociada en la conversión de CO2 en hidrocarburos (metanol, como se ve en la figura).

Para llevar a cabo eficazmente esta oxidación del agua mediante la energía de los fotones (fotooxidación) eficazmente se requiere un catalizador que sea eficaz en el uso de los fotones solares y además lo bastante rápido para seguir el ritmo impuesto por el flujo de fotones (utilizarlos al ritmo que el Sol los envía, por decirlo de algún modo), con el fin de no malgastar esos fotones. Los racimos de nanocristales de óxido de cobalto son suficientemente eficaces y rápidos, y también robustos (duran mucho tiempo), muy abundantes en la corteza terrestre y baratos.

Frei y Jiao van a llevar a cabo estudios adicionales para conocer mejor por qué los racimos de nanocristales de óxido de cobalto son fotocatalizadores eficaces y de gran velocidad, y van a intentar encontrar también otros catalizadores eficaces, pero, de todos modos, como dice Frei: creemos que tenemos un componente catalítico prometedor para el desarrollo de un sistema integrado de conversión solar de combustible.

En este video de la LBNL se puede observar una solución de agua con este catalizador sobre la que incide un láser, haciendo que el líquido se vuelva azul y poco después emita el oxígeno gaseoso proveniente de la oxidación del agua:



Información adicional en LBNL