Fotosíntesis Artificial
Un método de producción sostenible de combustibles y productos de valor añadido inspirado en la naturaleza.
Núcleo fotosintético con clorofila para capturar la luz solar y un catalizador (Mn) que desencadena la reacción de división de la molécula de agua.
Como resultado, las plantas obtienen la energía y los nutrientes necesarios para vivir.
Material capaz de generar electrones a partir de la luz y un catalizador, para dividir el agua.
Imitar el proceso natural es una forma de obtener una fuente de energía renovable. Así se obtienen combustibles sostenibles, con huella carbono neutra ya que se necesita CO2 para su producción.
Un modelo perfecto
Las plantas viven usando la luz solar para desencadenar una reacción química que crea azúcares a partir del agua y el CO2. Este proceso se llama fotosíntesis y no sería posible sin la clorofila, que captura la luz solar, y una serie de proteínas y enzimas que la utilizan para descomponer las moléculas de H2O en hidrógeno (protones), electrones y oxígeno. Luego, los electrones y el hidrógeno se utilizan para convertir el CO2 en carbohidratos y se expulsa el oxígeno.
Para que estos procesos funcionen es fundamental la presencia de catalizadores, que reducen la energía necesaria para llevar a cabo las diferentes reacciones. En las plantas, esta función la realiza el manganeso que se encuentra dentro del núcleo fotosintético. Un sólo átomo de manganeso desencadena el proceso natural que utiliza la luz solar para dividir el agua. El uso de manganeso en un sistema artificial es un enfoque biomimético: imita directamente la biología que se encuentra en las plantas.
Imitando la naturaleza
La fotosíntesis artificial es un enfoque biomimético: simula directamente la biología que se encuentra en las plantas. Para recrearlo, un sistema de conversión de energía debe poder hacer dos cosas cruciales: captar la luz solar y dividir las moléculas de agua. Todo dentro de una celda (probablemente construida de nanotubos) que actúa como la «hoja» artificial.
Desde un punto de vista científico, la fotosíntesis artificial se puede dividir en dos reacciones: primero, la división de la molécula de agua, liberando oxígeno y protones, que se pueden usar para producir hidrógeno, que a su vez se puede usar como combustible. En segundo lugar, la conversión de CO2 en otras moléculas orgánicas, que también pueden transformarse en combustibles.
A diferencia de la mayoría de los métodos de generación de energía alternativa, la fotosíntesis artificial tiene el potencial de producir más de un tipo de combustible: hidrógeno, metanol, ácido fórmico, etc., según el catalizador utilizado y las condiciones de la “celda”.
Una solución sostenible
La fotosíntesis artificial nos permite obtener combustibles de fuentes renovables como agua, dióxido de carbono y luz solar. Además, el uso de CO2 en la producción lo convierte en una solución de almacenamiento de energía neutra en carbono.
¿Cúal es la contribución de los grupos de investigación del ICIQ?
Los investigadores del ICIQ utilizan diferentes enfoques para estudiar la fotosíntesis artificial: desde el desarrollo de fotocatalizadores capaces de realizar ambas reacciones fotosintéticas, hasta el uso de métodos computacionales para comprender el funcionamiento interno de la reacción.
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El grupo de la Dra. Romero estudia en detalle los principios de diseño que conducen a una captación, transferencia y conversión eficiente de energía solar en la fotosíntesis natural. Su objetivo es transferir este conocimiento para construir ensamblajes de proteínas-cromóforos bio-inspirados, capaces de convertir energía solar en energía electroquímica.
Los grupos computacionales del ICIQ también investigan los mecanismos que hay detrás de la fotosíntesis. El grupo del Prof. Bo aplica métodos de química computacional para determinar los mecanismos de reacción catalítica, como la transformación de los hidrógenos que se encuentran en el agua en dihidrógeno, entre otros temas.
El grupo de la Prof. López utiliza métodos computacionales para llevar a cabo “Catálisis heterogénea teórica”. Por ejemplo, buscando sistemáticamente nuevos catalizadores para procesos químicos relevantes, entre los que se encuentran la transformación de agua y CO2 en combustibles.
El grupo del Prof. Galán-Mascarós desarrolla materiales combinando sus propiedades físicas y químicas para avanzar en sus aplicaciones energéticas. El grupo está trabajando en imitar fotosistema natural, un grupo inorgánico responsable de la catálisis de la transformación del agua en protones y oxígeno.
El grupo del Prof. Lloret-Fillol trabaja en la producción de combustibles solares mediante transformaciones catalíticas de moléculas orgánicas impulsadas por la luz. Desde un punto de vista conceptual, el grupo busca trasladar conceptos de la fotosíntesis artificial a la síntesis orgánica, para llevar a cabo transformaciones utilizando la luz solar como motor.
El grupo del Prof. Llobet estudia la oxidación catalítica del agua a dioxígeno molecular, dadas las implicaciones de esta reacción para nuevos esquemas de conversión de energía basados en fotosíntesis artificial. El objetivo final del grupo consiste en la fotoproducción de hidrógeno a partir del agua y la luz solar.