¿Quién necesita plantas cuando se puede aprovechar la energía solar con una hoja artificial?

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La idea de un dispositivo hecho por humanos que pueda procesar la energía solar para producir combustibles utilizables ha estado tentando a los investigadores desde la década de 1970. Al no existir un almuerzo gratis, no es tan fácil diseñar un dispositivo que imite la fotosíntesis, que la Madre Naturaleza perfeccionó hace mucho tiempo. Sin embargo, los investigadores del Laboratorio Lawrence Berkeley del Departamento de Energía en California parecen haber resuelto una pieza importante del desafío de la “hoja artificial”.

Energía solar y la hoja artificial del futuro

El concepto de hoja artificial cruzó por primera vez el Electronia radar en forma de una celda fotoelectroquímica del tamaño de una tarjeta, en 2011. En lugar de convertir la luz solar en electricidad, la celda actúa como un catalizador que despliega la energía solar para convertir el agua en oxígeno e hidrógeno.

Las versiones iniciales del dispositivo requerían agua purificada. Para 2013, los investigadores descubrieron cómo evitar que una película de impurezas cubra el catalizador solar, lo que permite su uso en agua contaminada.

Casi al mismo tiempo, aparecieron mejoras adicionales en el concepto de hoja artificial, siendo un área principal de investigación reducir el costo del catalizador solar. Las nuevas iteraciones también incluyeron una hoja artificial que utiliza la luz solar para convertir el dióxido de carbono en monóxido de carbono, un componente químico omnipresente.

En 2014, los investigadores de Berkeley Lab estaban trabajando en una versión “biónica” del concepto de hoja artificial. Se centraron en la producción de hidrógeno a través de la energía solar, basándose en la premisa de que el valor de almacenamiento de energía del hidrógeno ayudaría a crear una vía rentable para una versión comercial de la hoja artificial.

Solo un año después, los investigadores de la Universidad de Lund anunciaron una hoja artificial “supersónica”, basada en moléculas diseñadas que pueden recolectar energía solar y actuar como catalizador. Esta versión también estaba destinada a la producción de hidrógeno, con el potencial de agregar metano a la lista.

¿Por qué molestarse con la fotosíntesis sintética cuando tenemos energía eólica y solar?

Ahora que la energía eólica y solar son tan económicas, es justo preguntarse por qué los investigadores todavía están tan interesados ​​en hacer que la fotosíntesis sintética ocurra. Si el objetivo es producir hidrógeno a partir del agua, eso se puede hacer mediante el despliegue de energía solar para ejecutar un sistema de electrólisis, que utiliza una corriente eléctrica para expulsar el gas hidrógeno del agua.

Para la respuesta, vayamos a la Universidad de Purdue, que publicó un artículo en junio pasado sobre las ventajas de imitar la fotosíntesis sobre la generación de electricidad a partir de turbinas eólicas y paneles solares.

“El proceso más cercano a la fotosíntesis artificial que tenemos hoy en día es la tecnología fotovoltaica, en la que una célula solar convierte la energía del sol en electricidad. Ese proceso es famoso por su ineficacia, capaz de capturar solo alrededor del 20% de la energía del sol ”, señaló Purdue. “La fotosíntesis, por otro lado, es radicalmente más eficiente; es capaz de almacenar el 60% de la energía solar como energía química en biomoléculas asociadas ”.

Triste pero cierto. Los investigadores siguen creando nuevas células solares que siguen batiendo récords de conversión de energía solar. Los más eficientes han superado la marca del 20% por un amplio margen, pero no se acercan al 60%.

Purdue citó a la biofísica e investigadora de energía solar Yulia Pushkar, quien enfatizó la ventaja de la hoja artificial.

“Con la fotosíntesis artificial, no existen limitaciones físicas fundamentales”, dijo. “Se puede imaginar muy fácilmente un sistema con una eficiencia del 60% porque ya tenemos un precedente en la fotosíntesis natural. Y si nos ponemos muy ambiciosos, incluso podríamos imaginar un sistema de hasta un 80% de eficiencia ”.

No puedes engañar a la madre naturaleza (a menos que te esfuerces mucho)

Cuando una planta procesa energía solar, crece. Desafortunadamente, cuando los científicos intentan hacer lo mismo con una hoja artificial, esta se deshace. Eso demuestra lo genial que es la madre naturaleza.

Eso nos lleva al último desarrollo. A principios de este mes, Berkeley Lab señaló que un equipo de investigación encabezado por la científica del personal Francesca Toma logró recientemente un gran avance. Su contribución a la fotosíntesis artificial El campo se centra en la cuestión de la durabilidad.

La debilidad en un sistema de hojas artificiales típico es el resultado del uso de una forma cristalina de cobre llamada óxido cuproso. El óxido cuproso es un material preferido en las células fotoelectroquímicas debido a su alta reactividad a la luz, pero se degrada después de unos minutos cuando se expone a la luz.

Entonces, ¿por qué seguir con una propuesta perdedora?

“A pesar de su inestabilidad, el óxido cuproso es uno de los mejores materiales candidatos para la fotosíntesis artificial porque es relativamente asequible y tiene características adecuadas para absorber la luz visible”, explica Berkeley Lab.

Con esa motivación, Toma y su equipo dieron una nueva mirada a la reacción fotoelectroquímica. Tras un examen más detenido, el equipo se dio cuenta de que el culpable podría no estar dentro de la celda en sí. En cambio, podría ser algo en el agua, literalmente, el electrolito de agua que se usa en los sistemas de hojas artificiales.

“Sabíamos que era inestable, pero nos sorprendió saber lo inestable que es realmente”, dijo Toma. “Cuando comenzamos este estudio, nos preguntamos si tal vez la clave para un mejor dispositivo de combustibles solares no esté en el material en sí mismo, sino en el entorno general de la reacción, incluido el electrolito”.

Energía solar y el “esquema Z”

El equipo concluyó que los hidróxidos en el agua contribuyen a la corrosión. El estudio también arrojó una posible solución alternativa, que consiste en una celda fotoelectroquímica protegida por una capa de plata en la parte superior y un óxido de oro / hierro en la parte inferior.

“Este ‘esquema Z’, que está inspirado en la transferencia de electrones que tiene lugar en la fotosíntesis natural, debería crear un ’embudo’ que envíe agujeros desde el óxido cuproso al sumidero de oro / óxido de hierro”, explica Berkeley Lab.

¿Tienes todo eso? ¡Bien! Para todos los detalles jugosos, consulte el estudio “Investigación y mitigación de los mecanismos de degradación en Fotoelectrodos de Cu2O para la reducción de CO2 a etileno“En la revista Energía de la naturaleza.

“El fotocátodo resultante exhibe una fotocorriente estable para la reducción de CO2 con ~ 60% de eficiencia faradaica para etileno con un balance de hidrógeno durante horas, mientras que el Cu2O desnudo se degrada en minutos”, concluyen Toma y su equipo.

Cuidado, combustibles fósiles: la alianza Liquid Sunlight está llegando para usted

Si captó esa cosa sobre la producción de etileno, esa es otra ventaja potencial sobre los sistemas de electrólisis. Aquí, invitamos a nuestros amigos a Biología BMC explícalo:

“El simple hidrocarburo etileno (C2H4) es una pequeña molécula gaseosa de gran importancia. Además de ser el compuesto orgánico más producido en el mundo (utilizado en la fabricación de numerosos productos como caucho, plásticos, pinturas, detergentes y juguetes), el etileno es una hormona importante en la biología vegetal ”.

La capacidad de aumentar la producción de etileno no fósil podría cambiar las reglas del juego. Las partes interesadas de la industria fósil han apostado por el hidrógeno, el etileno y otros petroquímicos para mantenerse a flote a medida que la economía global se aleja de los combustibles fósiles, pero ahora parece que la energía solar también podría bloquear esas rutas.

Con eso en mente, echemos un vistazo rápido a la alianza Liquid Sunshine, que es la organización coordinadora que apoya al equipo de Toma, entre otros. LiSA se fundó en 2020 en los últimos días de la administración Trump, como uno de los dos proyectos financiados por el Departamento de Energía de EE. UU. A través del Combustibles de Sunlight Energy Innovation Hub, que se remonta a la administración Obama.

“Liquid Sunlight Alliance está desarrollando los principios científicos mediante los cuales se pueden codiseñar microambientes acoplados duraderos para generar de manera eficiente y selectiva combustibles líquidos a partir de la luz solar, agua, dióxido de carbono y nitrógeno”, explica LiSA, y eso no es todo.

La declaración de misión de LiSA posiciona el campo de los combustibles solares como uno que avanza en “diversidad, equidad e inclusión, (DEI) aspectos que son esenciales y fundamentales para expandir el conocimiento en ciencia e ingeniería y desarrollar la fuerza laboral científica del futuro”, lo cual es algo irónico considerando que el ex presidente Trump intentó obstaculizar programas federales de DEI en los últimos meses de su candidatura perdedora a la reelección en 2020.

Para el registro, el otro programa financiado a través de Fuels From Sunlight en 2020 es CHASE, el Centro de enfoques híbridos en energía solar Energía a combustibles líquidos. CHASE tiene la misión de desarrollar “fotoelectrodos híbridos para la producción de combustible que combinan semiconductores para la absorción de luz con catalizadores moleculares para la conversión y producción de combustible”.

En cuanto al papel de la energía solar en la rápida descarbonización global, parece que todavía no ha visto nada, así que agárrense.

Sigueme en Twitter @TinaMCasey.

Foto: “Un modelo de dispositivo de combustibles solares. llamada célula fotoelectroquímica. Un equipo de investigación dirigido por Francesca Toma, científica del personal de Liquid Sunlight Alliance en la División de Ciencias Químicas de Berkeley Lab, diseñó el modelo ”(crédito: Thor Swift / Berkeley Lab).

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