Gas de síntesis y energía de batería a partir de la luz solar
Trampas de luz inteligentes
Las plantas utilizan la fotosíntesis para obtener energía de la luz solar. Ahora, investigadores de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) han aplicado este principio como base para desarrollar nuevos procesos sostenibles que en el futuro podrán producir syngas (gas de síntesis) para la industria química a gran escala y ser capaces de cargar baterías.
Generar energía a partir de la luz: La "nanozima" recién desarrollada, un polvo amarillo, imita las propiedades de las enzimas que intervienen en la fotosíntesis.
Astrid Eckert / TUM
El syngas, una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno, es un importante producto intermedio en la fabricación de muchos materiales químicos de partida, como el amoníaco, el metanol y los combustibles de hidrocarburos sintéticos. "En la actualidad, el gas de síntesis se fabrica casi exclusivamente con materias primas fósiles", explica el profesor Roland Fischer, de la Cátedra de Química Inorgánica y Organometálica.
Un polvo amarillo, desarrollado por un equipo de investigación dirigido por Fischer, va a cambiar todo eso. Los científicos se inspiraron en la fotosíntesis, el proceso que utilizan las plantas para producir energía química a partir de la luz. "La naturaleza necesita dióxido de carbono y agua para la fotosíntesis", explica Fischer. El nanomaterial desarrollado por los investigadores imita las propiedades de las enzimas que intervienen en la fotosíntesis. La "nanozima" produce gas de síntesis utilizando dióxido de carbono, agua y luz de forma similar.
Valores récord de eficiencia
Lo explica el Dr. Philip Stanley, que abordó el tema en el marco de su tesis doctoral: "Una molécula asume la tarea de antena de energía, de forma análoga a la molécula de clorofila en las plantas. Recibe la luz y los electrones pasan a un centro de reacción, el catalizador". El aspecto innovador del sistema de los investigadores: Ahora hay dos centros de reacción unidos a la antena. Uno de estos centros convierte el dióxido de carbono en monóxido de carbono, mientras que el otro transforma el agua en hidrógeno. El mayor reto de diseño era disponer la antena, el mecanismo de paso de los electrones y los dos catalizadores, de forma que se obtuviera el mayor rendimiento posible de la luz.
Y el equipo lo consiguió. "Con un 36%, nuestro rendimiento energético a partir de la luz es espectacularmente alto", afirma Stanley. "Conseguimos convertir hasta un tercio de los fotones en energía química. Los sistemas anteriores solían conseguir como mucho uno de cada diez fotones". Este resultado hace albergar esperanzas de que la realización técnica pueda hacer más sostenibles los procesos químicos industriales."
Fotoacumulador para almacenar cargas
En un proyecto separado, los investigadores trabajan en otro material que utiliza la energía luminosa del sol, pero en este caso la almacena como energía eléctrica. "Una posible aplicación futura podrían ser las baterías que se cargan con la luz del sol, sin tener que dar rodeos por el enchufe de la pared", dice Fischer.
Los investigadores utilizaron componentes similares a los de la nanozima para desarrollar estos fotoacumuladores. También en este caso el propio material absorbe los fotones de la luz incidente. Pero en lugar de servir de catalizador para una reacción química, el receptor de energía está tan integrado en la estructura que permanece en ese estado, lo que permite almacenar los electrones durante más tiempo. Los investigadores han demostrado la viabilidad del sistema en el laboratorio.
"Hay dos formas de aprovechar directamente la energía solar", resume el Dr. Julien Warnan, jefe del grupo de fotocatálisis. "O bien cosechamos energía eléctrica a partir de ella o bien utilizamos la energía para impulsar reacciones químicas. Y estos dos sistemas, ambos basados en el mismo principio, demuestran que lo hemos conseguido experimentalmente."
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Publicación original
Stanley, P. M., Su, A. Y., Ramm, V., Fink, P., Kimna, C., Lieleg, O., Elsner, M., Lercher, J. A., Rieger, B., Warnan, J., Fischer, R. A., Photocatalytic CO2-to-Syngas Evolution with Molecular Catalyst Metal-Organic Framework Nanozymes. Adv. Mater. 2023, 35, 2207380.
Stanley, P. M., Sixt, F., Warnan, J., Decoupled Solar Energy Storage and Dark Photocatalysis in a 3D Metal–Organic Framework. Adv. Mater. 2023, 35, 2207280.
Stanley, P.M., Haimerl, J., Shustova, N.B., Fischer, R. A., Warnan, J., Merging molecular catalysts and metal–organic frameworks for photocatalytic fuel production. Nat. Chem. 2022, 14, 1342–1356.
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