Raul Morales
Durante millones de años, las plantas han usado la fotosíntesis para captar energía del sol y convertirla en energía electromecánica. Ingenieros y científicos han intentado desarrollar una versión artificial de la fotosíntesis que pudiera ser usada para producir combustibles líquidos a partir de dióxido de carbono y agua.
Ahora, investigadores del Berkely Lab, han dado un paso muy importante en esta dirección con el descubrimiento de que cristales de óxido de cobalto de tamaño nanométrico pueden de manera efectiva provocar una de las reacciones críticas de la fotosíntesis, la de dividir las moléculas de agua.
“La fotooxidación de las moléculas de agua en oxígeno, electrones y protones es una de las dos reacciones esenciales de un sistema de fotosíntesis artificial. Proporciona los electrones necesarios para reducir el dióxido de carbono en combustible”, comenta Heiz Frei, que ha participado en este proyecto, en un comunicado. “La fotooxidación requiere un catalizador que sea eficiente en el uso de los fotones solares y lo suficientemente rápido para continuar con el flujo solar y evitar la pérdida de esos fotones. Grupos de nanocristales de cobalto de óxido son lo suficientemente eficientes y rápidos, así como robustos”, puntualiza.
La fotosíntesis artificial para la producción de combustibles líquidos proporciona la posibilidad de una fuente de energía renovable que no contribuiría al calentamiento global resultante de la combustión de petróleo y carbón. La idea es mejorar el proceso que durante mucho tiempo ha servido a las plantas y a ciertas bacterias para integrarse en un una única “plataforma” capaz de almacenar la luz solar, captar los fotones y los sistemas catalíticos que pueden oxidar agua, en otras palabras crear una hoja artificial,
Moléculas inorgánicas
“Para sacar ventaja de la flexibilidad y la precisión con la que absorbe, las propiedades catalíticas pueden ser controladas mediante estructuras moleculares inorgánicas”, comenta Frei.
En fases previas del trabajo, los investigadores se han dado cuenta de que el óxido de iridio era lo suficientemente rápido para hacer ese trabajo. Sin embargo el iridio es el metal menos abundante de la tierra y no puede ser usado a gran escala. Necesitaban un metal igual de efectivo pero más abundante.
Las plantas llevan a cabo la fotooxidación de las moléculas de agua a través de un proceso complejo llamado Fotosistema II, en la que enzimas que contienen manganeso sirven como catalizadores. Buscando catalizadores puramente inorgánicos que disolvieran el agua, que mimetizaran las propiedades del manganeso en la naturaleza, pero que fueran más robustos, los investigadores dieron con el óxido de cobalto, un material muy abundante.
Cuando Frei y su equipo probaron con micropartículas de óxido de cobalto, descubrieron que eran poco eficientes y no lo suficientemente rápidas como para propiciar la fotosíntesis. Sin embargo, cuando usaron nanopartículas de ese mismo material, la historia cambió.
Hasta la hoja artificial
“El rendimiento de los grupos de nanocristales de óxido de cobalto resultó 1.600 veces mayor que el de las partículas de tamaño micrométrico”, comenta Frei.
Los investigadores usaron silicio mesoporoso (material poroso que cuyos poros tienen un diámetro de entre 2 y 50 nanometros) para “cultivar” los nanocristales de cobalto mediante una técnica llamada “impregnación húmeda”. Los cristales que mejor funcionaron fueron unos con forma de barra que medían 8 nanometros de diámetro y 50 de largo, que estaban interconectados por pequeños puentes para formar haces. A esos haces se les dio forma de una esfera de 35 nanometros. Aunque la eficiencia catalítica del cobalto es en sí misma importante, el factor que determinó todavía una mayor eficiencia y velocidad fue su tamaño.
Frei llevará a cabo más estudios para comprender por qué los nanocristales de óxido de cobalto son tan eficientes y rápidos como fotocatalizadores. Asimismo, buscarán nuevos metales que puedan realizar esa misma función.
El siguiente paso, sin embargo, será el más complicado: integrar la reacción que provoca la oxidación del agua con la reducción del dióxido de carbono para, finalmente, crear un sistema parecido al que se puede ver en la hoja de un árbol, por ejemplo.
“La eficiencia, la velocidad y el tamaño de nuestros nanocristales de óxido de cobalto son comparables al Fotosistema II”, dice Frei. “Creemos que tenemos un componente prometedor para desarrollar un sistema de conversión de luz solar en energía. Este es el siguiente reto en el campo de la fotosíntesis artificial”.
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