Hoja artificial elabora combustible líquido a partir de dióxido de carbono

La idea de la fotosíntesis artificial es tentadora: dispositivos que podrían absorber la luz solar y el dióxido de carbono y luego, en presencia de agua, producir combustibles. Los diseños han evolucionado desde sistemas en 2011 que dividían el agua para producir combustibles de hidrógeno hasta otros más recientes y complejos que tenían como objetivo reducir el dióxido de carbono usándolo para crear combustibles a base de carbono.

Pero ha sido lento. A lo largo de los años, los investigadores han logrado crear sistemas que producen hidrógeno de manera eficiente y, más recientemente, han ideado un sistema que puede producir gas de síntesis, que es una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno que se usa para fabricar otros productos como el metanol. Pero un dispositivo que puede elaborar directamente combustibles líquidos útiles ha eludido a los investigadores, hasta ahora.

Investigadores de la Universidad de Cambridge ahora han creado la primera hoja artificial que puede convertir el dióxido de carbono en los combustibles líquidos propanol y etanol. Mientras que otros han demostrado antes la conversión de dióxido de carbono impulsada por la electricidad en combustibles, el nuevo trabajo publicado en la revista Nature Energy es un avance clave en el uso de la luz solar para producir directamente combustibles limpios y útiles a partir de dióxido de carbono en un solo paso.

Los científicos de todo el mundo están tratando de fabricar combustibles solares como una forma de embotellar la energía del sol para usarla más tarde y de eliminar las emisiones de dióxido de carbono de la atmósfera. La fotosíntesis artificial cae en esa amplia categoría y se puede lograr utilizando varios enfoques. Una es la fotocatálisis, en la que la luz del sol brilla directamente sobre un catalizador impulsado por la luz como el dióxido de titanio que desencadena las reacciones químicas para reducir el dióxido de carbono y dividir el agua.

En cambio, el equipo de Cambridge adoptó un enfoque fotoelectroquímico, explica Motiar Rahaman, miembro del equipo e investigador químico en Cambridge. Este enfoque implica una celda con fotoelectrodos semiconductores que absorben la luz solar y producen electricidad, lo que impulsa una reacción química impulsada por un catalizador. En 2019, el profesor de química de Cambridge Erwin Reisner y sus colegas crearon el primer dispositivo de hoja artificial de este tipo, que producía gas de síntesis, seguido en 2022 con una versión flotante liviana de dicho dispositivo.

Cada uno de estos dispositivos tiene un cátodo compuesto por una perovskita fotovoltaica y un catalizador de cobalto, y un ánodo hecho del fotocatalizador bismuto vanadato. Cuando el dispositivo se sumerge en agua, el vanadato de bismuto absorbe la luz solar y desencadena el proceso de división del agua en el ánodo. Mientras tanto, en el cátodo, la perovskita genera electricidad, lo que hace que el catalizador de cobalto reduzca el dióxido de carbono y produzca gas de síntesis.

Rahaman, Reisner y el equipo ahora han actualizado el dispositivo con un catalizador especial que formularon, lo que permite que el dispositivo produzca alcoholes multicarbonados en lugar de gas de síntesis. El cobre es el único metal conocido que puede formar productos multicarbonados a partir del dióxido de carbono, dice Rahaman, pero el proceso necesita mucha energía. Entonces, los investigadores lo doparon con paladio para hacer un catalizador bimetálico de cobre y paladio que "hace este trabajo a bajo potencial y necesita poca energía".

Una hoja artificial se prueba sometiéndola a la radiación solar dentro de un fotorreactor.Motiar Rahaman

El dispositivo se activa y comienza a producir los alcoholes, con una proporción uno a uno de propanol a etanol, casi inmediatamente cuando se sumerge en agua bajo la luz del sol. Los investigadores dejaron que la reacción se desarrollara durante 20 horas en el laboratorio y luego separaron el alcohol del reactor.

Todavía está en la etapa inicial, dice Rahaman, y el dispositivo es pequeño: solo mide 5 milímetros por lado. Produce solo microlitros de alcohol por centímetro cuadrado. Pero el equipo está trabajando para mejorar la eficiencia del dispositivo optimizando los materiales absorbentes de luz para recolectar más luz solar y ajustando el catalizador para convertir más dióxido de carbono en combustible. También planean ampliar el dispositivo para que pueda producir mayores volúmenes de combustible.

"El dispositivo aún es pequeño porque acabamos de inventar la tecnología", dice. "Ahora obtenemos alcoholes en cantidades de microlitros. Pero hemos inventado la ciencia. Ahora será un esfuerzo de ingeniería técnica llegar a una escala mayor. Si aumentamos el área de superficie, entonces aumentará la cantidad de producto".

Esta historia se actualizó el 5 de junio de 2023.