Producción potencial de combustibles neutros en carbono
Químicos logran una conversión sostenible de la energía solar con fotocatálisis artificial
Convertir la energía solar en combustibles neutros en carbono es un planteamiento prometedor para reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles y combatir el cambio climático. Tomando ejemplos de la naturaleza, las plantas y otros organismos fotosintéticos utilizan la luz solar para crear compuestos ricos en energía a partir de agua y dióxido de carbono (CO2) mediante un complejo proceso bioquímico que tiene lugar dentro de unas estructuras especializadas llamadas cloroplastos. Sin embargo, la eficiencia de este proceso natural está limitada por vías metabólicas que tienen una eficacia reflectantemente baja a la hora de convertir la luz solar en energía útil. Aunque los ciclos fotocatalíticos artificiales han demostrado una mayor eficacia intrínseca, suelen depender deCO2 puro o muy concentrado y de medios orgánicos para evitar la degradación del catalizador causada por el agua o los protones.
Los equipos de investigación dirigidos por el profesor David Lee PHILLIPS, del Departamento de Química de la Universidad de Hong Kong (HKU), la profesora Lili DU, de la Universidad de Jiangsu (alumna de doctorado de la HKU), el profesor Ruquan YE, de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong, y el profesor Jia TIAN, del Instituto de Química Orgánica de Shanghai, han desarrollado un sistema notable y respetuoso con el medio ambiente que puede aprovechar eficazmente la energía luminosa para el proceso fotocatalítico. Este sistema artificial es altamente estable y reciclable, y no depende de metales preciosos, lo que lo hace económicamente más viable y sostenible. Los resultados de la investigación se han publicado recientemente en la revista científica Nature Catalysis.
Antecedentes y logros
En la naturaleza, los organismos utilizan un proceso denominado "autoensamblaje jerárquico" para optimizar la captación de luz. Durante el proceso, organizan los componentes fotocatalíticos en un entorno a medida proporcionado por andamiajes basados en lípidos o proteínas. Al conseguir una gran estabilidad, selectividad y eficacia, la fotosíntesis se basa en la gran superficie y el control espacial preciso de las moléculas cromóforas y los centros catalíticos mediante el autoensamblaje, lo que ofrece un principio de diseño para sistemas fotocatalíticos artificiales de gran eficacia.
Estudios recientes han demostrado el uso de vesículas y micelas formadas por el ensamblaje conjunto de lípidos naturales o tensioactivos sintéticos con especies fotocatalíticas. Estas estructuras actúan como microrreactores, imitando el entorno de las membranas celulares. Sin embargo, replicar los supercomplejos naturales captadores de luz por vías sintéticas es difícil y poco rentable.
El equipo de la HKU y sus colaboradores han diseñado un sistema artificial de nanomicelas cromatóforas esféricas autoensamblables en agua, inspirado en el aparato fotosintético de Rhodobacter sphaeroides, un tipo de bacteria que suele encontrarse en el suelo y el agua dulce, que posee una estructura especial denominada "cromatóforo esférico recolector de luz". Esta estructura actúa como sensor de luz y posee una notable capacidad para transferir eficazmente la energía de la luz solar a través de un efecto único denominado "efecto de antena esférica", creado por la disposición circular de moléculas específicas en la superficie del cromatóforo. Esto permite a la bacteria captar y utilizar eficazmente la luz solar para sus necesidades energéticas.
Este sistema artificial imita el cromatóforo esférico de captación de luz de las bacterias y consiste en diminutas estructuras esféricas llamadas nanomicelas que se autoensamblan en soluciones acuosas. Estas nanomicelas son los componentes básicos del sistema. El sistema utiliza moléculas modificadas y compuestos absorbentes de luz conocidos como "anfifilos de porfirina de Zn mejorados con enlaces de aramida", que interactúan con un catalizador de Co mediante fuerzas electrostáticas, dando lugar a un ensamblaje jerárquico único. Por tanto, este ensamblaje está inducido por un "efecto de antena esférica", y mejora el sistema para capturar y encender energía para procesos fotocatalíticos.
El autoensamblaje jerárquico del sistema ofrece una prometedora estrategia ascendente para crear un sistema fotocatalítico artificial controlado con precisión, de gran estabilidad y eficacia, basado en elementos baratos y abundantes en la Tierra, en lugar de en costosos metales preciosos.
En palabras del profesor David Phillips: "Nuestra investigación puede hacer avanzar las energías renovables reproduciendo los eficientes mecanismos naturales de captación de la luz. Esto podría conducir a soluciones sostenibles para nuestras necesidades energéticas y a la producción de combustibles neutros en carbono, contribuyendo a un futuro más verde".
Por su parte, la profesora Lili Du "El sistema artificial autoensamblado es un paso importante para liberar todo el potencial de conversión de la energía solar. La mejora de la eficiencia y la estabilidad fotocatalíticas puede superar las limitaciones y crear un panorama energético más limpio y sostenible. Esta investigación ofrece prometedoras aplicaciones prácticas en la producción de combustible, la captura de carbono y la recuperación del medio ambiente."
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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