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El ‘metano verde’ de la fotosíntesis artificial podría reciclar CO2

febrero 6, 2020
Redaccion

Un nuevo enfoque de fotosíntesis artificial utiliza la luz solar para convertir el dióxido de carbono en metano, lo que podría ayudar a que los dispositivos que funcionan con gas natural sean neutros en carbono.

por Nicole Casal Moore, Universidad de Michigan

El metano es el componente principal del gas natural. La fotosíntesis es el proceso a través del cual las plantas verdes usan la luz solar para producir alimentos a partir de dióxido de carbono y agua, liberando oxígeno como subproducto. La fotosíntesis artificial a menudo apunta a producir combustibles de hidrocarburos , similares al gas natural o la gasolina, a partir de los mismos materiales de partida.

El método de generación de metano es posible gracias a un nuevo catalizador desarrollado a través de una colaboración entre la Universidad de Michigan, la Universidad McGill y la Universidad McMaster. Un artículo sobre los hallazgos se publica en Proceedings of the National Academy of Sciences .

El catalizador de energía solar está hecho de materiales abundantes y funciona en una configuración que podría ser producida en masa. Los investigadores piensan que podría reciclar dióxido de carbono de chimenea en combustible de combustión limpia dentro de 5 a 10 años.

«El treinta por ciento de la energía en los Estados Unidos proviene del gas natural», dijo Zetian Mi, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación de la UM, quien codirigió el trabajo con Jun Song, profesor de ingeniería de materiales en la Universidad McGill. «Si podemos generar metano verde, es un gran problema».

El principal avance es que el equipo ha aprovechado corrientes eléctricas relativamente grandes con un dispositivo que debería ser posible producir en masa. También es especialmente bueno para canalizar esa electricidad hacia la formación de metano, con la mitad de los electrones disponibles dirigidos hacia reacciones productoras de metano en lugar de hacia subproductos como el hidrógeno o el monóxido de carbono .

«Los dispositivos de fotosíntesis artificial anteriores a menudo operan a una pequeña fracción de la densidad de corriente máxima de un dispositivo de silicio, mientras que aquí operamos al 80 o 90 por ciento del máximo teórico utilizando materiales listos para la industria y catalizadores abundantes en la tierra», dijo Baowen Zhou, un investigador postdoctoral en el grupo de Mi trabajando en este proyecto.

Convertir el dióxido de carbono en metano es un proceso muy difícil. El carbono debe recogerse del CO 2 , que requiere mucha energía porque el dióxido de carbono es una de las moléculas más estables. Del mismo modo, el H2O debe descomponerse para unir el hidrógeno al carbono. Cada carbono necesita cuatro átomos de hidrógeno para convertirse en metano, lo que genera una complicada danza de ocho electrones (cada enlace carbono-hidrógeno tiene dos electrones y hay cuatro enlaces).

El diseño del catalizador es crítico para el éxito de la reacción.

«La pregunta del millón de dólares es cómo navegar rápidamente por el enorme espacio de materiales para identificar la receta óptima», dijo Song.

El trabajo teórico y computacional de su equipo identificó el componente catalizador clave: las nanopartículas de cobre y hierro. El cobre y el hierro se aferran a las moléculas por sus átomos de carbono y oxígeno, lo que le da tiempo para que el hidrógeno salte de los fragmentos de la molécula de agua al átomo de carbono.

El dispositivo es una especie de panel solar con nanopartículas de cobre y hierro. Puede usar la energía del sol o una corriente eléctrica para descomponer el dióxido de carbono y el agua.

La capa base es una oblea de silicio, no muy diferente de las que ya están en los paneles solares. Esa oblea está coronada con nanocables, cada uno de 300 nanómetros (0,0003 milímetros) de alto y aproximadamente 30 nanómetros de ancho, hechos de nitruro de galio semiconductor.

La disposición crea un área de superficie grande sobre la cual pueden ocurrir las reacciones. Los nanocables salpicados de nanopartículas están cubiertos con una fina película de agua.

El dispositivo puede diseñarse para funcionar solo con energía solar , o la producción de metano puede amplificarse con un suplemento de electricidad. Alternativamente, funcionando con electricidad, el dispositivo podría funcionar en la oscuridad.

En la práctica, el panel de fotosíntesis artificial necesitaría estar conectado a una fuente de dióxido de carbono concentrado, por ejemplo, dióxido de carbono capturado de chimeneas industriales. El dispositivo también puede configurarse para producir gas natural sintético (gas de síntesis) o ácido fórmico, un conservante común en la alimentación animal.

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