Fotosíntesi Atificial
Un mètode sostenible de producció de combustible i productes de valor afegit inspirats en la natura
Nucli fotosintètic amb clorofil·la per capturar la llum solar i un catalitzador (Mn)) que desencadena la reacció de divisió de la molècula d’aigua.
Com a resultat, les plantes obtenen l’energia i els nutrients necessaris per viure.
Material capaç de generar electrons a partir de la llum i un catalitzador, per dividir l’aigua.
Imitar el procés natural és una forma d’obtenir una font d’energia renovable. Així, s’obtenen combustibles sostenibles, amb empremta carboni neutra, ja que es necessita CO2 per a la seva producció.
Un model perfecte
Les plantes viuen fent servir la llum solar per desencadenar una reacció química que crea sucres a partir de l’aigua i el CO2. Aquest procés es diu fotosíntesi i no seria possible sense la clorofil·la, que captura la llum solar, i una sèrie de proteïnes i enzims que la utilitzen per descompondre les molècules d’H2O en hidrogen (protons), electrons i oxigen. Després, els electrons i l’hidrogen s’utilitzen per convertir el CO2 en carbohidrats i s’expulsa l’oxigen.
Perquè aquests processos funcionin és fonamental la presència de catalitzadors, que redueixen l’energia necessària per dur a terme les diferents reaccions. En les plantes, aquesta funció la realitza el manganès que es troba dins del nucli fotosintètic. Un sol àtom de manganès desencadena el procés natural que utilitza la llum solar per dividir l’aigua. L’ús de manganès en un sistema artificial és un enfocament biomimètic: imita directament la biologia que es troba en les plantes.
Imitant la natura
La fotosíntesi artificial és un enfocament biomimètic: simula directament la biologia que es troba a les plantes. Per recrear-lo, un sistema de conversió d’energia ha de poder fer dues coses crucials: captar la llum solar i dividir les molècules d’aigua. Tot dins d’una cel·la (probablement construïda de nanotubs) que actua com a «fulla» artificial.
Des d’un punt de vista científic, la fotosíntesi artificial es pot dividir en dues reaccions: primer, la divisió de la molècula d’aigua, alliberant oxigen i protons, que es poden usar per produir hidrogen, que al seu torn es pot usar com a combustible. En segon lloc, la conversió de CO2 en altres molècules orgàniques, que també poden transformar-se en combustibles.
A diferència de la majoria dels mètodes de generació d’energies alternatives, la fotosíntesi artificial té el potencial de produir més d’un tipus de combustible: hidrogen, metanol, àcid fòrmic, etc., segons el catalitzador utilitzat i les condicions de la cel·la.
Una solució sostenible
La fotosíntesi artificial ens permet obtenir combustibles de fonts renovables com aigua, diòxid de carboni i llum solar. A més, l’ús de CO2 en la producció el converteix en una solució d’emmagatzematge d’energia neutra en carboni.
Quina és la contribució dels grups de recerca de l’ICIQ?
Els investigadors de l’ICIQ utilitzen diferents enfocs per estudiar la fotosíntesi artificial: des del desenvolupament de fotocatalitzadors capaços de realitzar les dues reaccions fotosintètiques, fins a l’ús de mètodes computacionals per comprendre el funcionament intern de la reacció.
El grup de la Dra. Romero estudia en detall els principis de disseny que condueixen a una captació, transferència i conversió eficient de l’energia solar a la fotosíntesi natural. El seu objectiu és transferir aquest coneixement per construir ensamblatges de proteïnes-cromòfors bio-inspirats, capaços de convertir l’energia solar en energia electroquímica.
Els grups computacionals de l’ICIQ també fan recerca sobre els mecanismes que hi ha darrera la fotosíntesi. El grup del Prof. Bo aplica mètodes de química computacional per determinar els mecanismes de reacció catalítica, com la transformació dels hidrògens que es troben en l’aigua en dihidrogen, entre altres temes.
El grup de la Prof. López utilitza mètodes computacionals per dur a terme “Catàlisi heterogènia teòrica”. Per exemple, busca sistemàticament nous catalitzadors per a processos químics rellevants, entre els quals es troben la transformació d’aigua i CO2 en combustibles.
El grup del Prof. Galán-Mascarós desenvolupa materials combinant les seves propietats físiques i químiques per avançar en les seves aplicacions energètiques. El grup està treballant en imitar el fotosistema natural, un grup inorgànic responsable de la catàlisi de la transformació de l’aigua en protons i oxigen.
El grup del Prof. Lloret-Fillol treballa en la producció de combustibles solars mitjançant transformacions catalítiques de molècules orgàniques impulsades per la llum. Des d’un punt de vista conceptual, el grup busca traslladar conceptes de la fotosíntesi artificial a la síntesi orgànica, per dur a terme transformacions utilitzant la llum solar com a motor.
El grup del Prof. Llobet estudia l’oxidació catalítica de l’aigua en dioxigen molecular, donades les implicacions d’aquesta reacció per a nous esquemes de conversió d’energia basats en la fotosíntesi artificial. L’objectiu final del grup consisteix en la fotoproducció d’hidrogen a partir de l’aigua i la llum solar.