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Aumento de la eficiencia en la fotosíntesis artificial

Aumento de la eficiencia en la fotosíntesis artificial
Gráficamente abstracto. Crédito: DOI: 10.1021/jacsau.1c00408

Los ingenieros químicos de EPFL han desarrollado un nuevo enfoque para la fotosíntesis artificial, un método para recolectar energía solar que produce hidrógeno como combustible limpio a partir del agua.


por Ecole Polytechnique Federale de Lausanne


«La fotosíntesis artificial es el santo grial de todos los químicos», dice Astrid Olaya, ingeniera química del Instituto de Ciencias Químicas e Ingeniería (ISIC) de la EPFL. «El objetivo es capturar la luz solar, por un lado, para oxidar el agua para generar oxígeno y protones, y por el otro, reducir los protones a hidrógeno o CO 2 a productos químicos y combustibles. Esta es la esencia de una industria química circular «.

Con el aumento de la demanda mundial de energía, necesitamos alternativas viables a los combustibles fósiles, cuyo impacto ambiental negativo también se ha vuelto demasiado evidente. Una de esas alternativas es el hidrógeno, que puede consumirse en celdas de combustible simples para obtener energía, dejando solo agua.

Un método para producir hidrógeno es la «división del agua», donde las moléculas de agua se rompen en hidrógeno molecular y oxígeno. En la fotosíntesis artificial , la luz se absorbe para generar la energía necesaria para romper las moléculas de agua .

El diseño clásico de un dispositivo de fotosíntesis artificial es relativamente sencillo: un tinte que absorbe la luz llamado antena, junto con un semiconductor que separa las cargas eléctricas (ánodo y cátodo) y un electrocatalizador que impulsa la reacción de reducción-oxidación del agua.

Sin embargo, el proceso sigue siendo demasiado lento. La oxidación del agua con luz visible (por ejemplo, la luz solar) sigue siendo un cuello de botella para la fotosíntesis artificial, lo que dificulta el desarrollo a gran escala a pesar de más de medio siglo de investigación. “El problema es que es difícil encontrar materiales para electrodos con alta estabilidad química, propiedades optoelectrónicas adecuadas y alta eficiencia catalítica”, dice Olaya.

Las antenas aumentan la eficiencia

Trabajando en el laboratorio de Hubert Girault en EPFL, Olaya dirigió un estudio que proporciona un nuevo enfoque para la fotosíntesis artificial. El trabajo ha sido publicado en el Journal of the American Chemical Society Gold ( JACS Au ).

«En este estudio, fotooxidamos agua con una molécula orgánica simple, a saber, tetratiafulvaleno (TTF)», dice Olaya. «Se ha demostrado que una versión salina de TTF puede autoensamblarse en microvarillas que actúan como antenas para capturar la luz visible y como bombas de electrones para oxidar el agua en oxígeno». Por lo general, esta es una reacción lenta de varios pasos, pero la pila de moléculas de sal TTF puede capturar los cuatro electrones necesarios para oxidar una molécula de agua.

Un toque aceitoso

Los investigadores también usaron agua en una emulsión de aceite. “La antena TTF puede residir en la fase de aceite cerca de la fase de agua, donde se extraen los protones producidos por la oxidación del agua ”, dice Olaya. “Al igual que en la fotosíntesis natural, el sistema bifásico permite una separación eficiente de los reactivos y productos”.

TTF se compone únicamente de átomos de carbono, azufre e hidrógeno , que están ampliamente disponibles. Eso significa que el nuevo método también es rentable y sostenible, ya que no requiere iones de metales preciosos, como platino o iridio. «Este trabajo es una nueva forma de abordar la fotosíntesis artificial con solo unas pocas moléculas orgánicas simples», dice Olaya.



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