Uno de las soluciones más interesantes para el problema energético actual y al vez reducir el nivel del gas CO2 en la atmósfera consiste en imitar la fotosíntesis de las plantas. En un artículo reciente, se ha dado otro paso adelante en su posible implementación práctica con un sistema que produce formiato(1). El artículo está escrito pensando sobre todo en científicos muy familiarizados con el tema a tratar, por lo que la introducción comienza hablando de los diversos químicos que se han explorado para lograr la reducción(2) de CO2, denotada CO2RR en el artículo, con RR el agente reductor. Comenta que disoluciones homogéneas de varios tipos de enlaces químicos se han usado previamente y que sistemas en los que se inmoviliza el catalizador en una superficie de semiconductor, para evitar su desgaste rápido, se han empleado de manera que sumergidos en soluciones acuosas han funcionado bastante bien. El problema es que conseguir la función CO2RR es sólo la primera parte: luego, este subproducto debería a su vez oxidarse para producir compuestos más o menos útiles. Para conseguirlo, se precisa una fuente de electrones que oxide este material. El agua es un gran candidato para esto, pero precisa una fuente de energía para iniciar la reacción, como la luz solar. Así, se ha investigado mucho, según los autores, en la creación de sistemas que emplean la luz del sol para sintetizar, desde el CO22 y agua con al ayuda de la luz solar. El problema es que su escalado desde el laboratorio hasta una escala industrial es muy complicado por problemas de fabricación. Otra alternativa es el uso de coloides donde las partículas coloidales sean fotocalíticos(3), pero con frecuencia son necesarias etapas extra con otros productos químicos, lo que dificulta su uso industrial. La solución ideal sería copiar a la naturaleza y crear un dispositivo que sea similar a una hoja de cualquier planta, capaz de hacer una fotosíntesis(4). El problema es que, según los autores, lo único similar es el sistema que ellos han desarrollado.
La estructura de su sistema es lo que denominan hojas fotocalíticas, compuestas de dos partículas semiconductoras con actividad redox(5) añadidas a una capa conductiva, que sortea los problemas de usar otros productos para poder realizar las reacciones redox, a la vez que al estar pegados a la capa conductora asegura un suministro constante de electrones. Los autores del artículo han desarrollado uno de estos productos, con nombres y estructuras complícadísimas para cada una de las tres partes que hacen falta: Una de ellas genera los electrones por foto-oxidación del agua, mientra que la otra, recogiendo esos electrones por transmisión a través de la capa de oro y unión con huecos de la tercera parte de la estructura y un catalizador pegado a ella, produce el formiato.
La imagen siguiente lo explicita bastante bien:
Imagen extraída de la figura 1.a del artículo citado.
El artículo continúa explicando la forma en la que se fabricó el sistema y luego pasa a dar algunos detalles que permiten caracterizar su producción de formiato, oxígeno e hidrógeno. Como la figura siguiente muestra, se produjeron estos productos mientras el sistema estaba iluminado por luz solar simulada(6), y sumergido en una solución de agua con carbonato de potasio (K2CO3) saturada de CO2:
Comprobaron también que la producción de formiato se debía a la interacción descrita en la primera figura, no a otro tipo de reacciones secundarias no previstas mediante el uso del sistema con una solución acuosa sin CO2. Además, observaron que la producción de hidrógeno y oxígeno se mantuvo constante sin la presencia de CO2, lo que soporta la idea presentada en la primera imagen de que su sistema «rompe» el agua.
Después comprobaron que el catalizador que emplearon efectivamente cumplía su función, dado que cuando expusieron a la luz el mismo tipo de estructura, pero sin el catalizador específico, no obtuvieron ningún producto. También pudieron comprobar que el catalizador seguía funcionando bajo grandes cantidades de oxígeno, es decir, es resistente a la oxidación, lo que no siempre es el caso. Y es importante porque al romper el agua, se produce oxígeno y por lo tanto éste puede por oxidación estropear el catalizador.
También comprobaron que la acción del sistema que implementaron se mantiene durante bastante tiempo. Durante los cuatros ciclos de rellenado de la solución de K22CO3 que emplearon durando más de 24 horas, su efectividad no bajó demasiado, como indica la figura siguiente. Parece poco, pero hay multitud de sistemas cuya duración es de horas, así que es un paso de gigante que su sistema sea robusto a la oxidación, aguante varios ciclos y durante más de 24 horas sin pérdidas de funcionamiento.
3 en el sistema. Se observa que la producción no varía demasiado. De la figura 4.d del artículo citado.Comprobaron también la alta selectividad del catalizador por la reacción de interés y no por otra. Esto es importante, porque debido a la presencia de varios iones O⁻ en el medio de la reacción, es muy fácil que se produzcan otras especies en zonas del catalizador que no estaban pensadas para ello. Después concluyen con algunas formas de mejorar el diseño, como fijar mejor el catalizador al sustrato, cambiar su composición, etc.
En resumen, un paso importante en la consecución de la soñada hoja artificial, con algunos inconvenientes. El primero, su baja productividad. Pero un gran paso adelante, porque es la primera vez que se logra algo remotamente similar y con tanta duración.
El artículo salió publicado en la revista Nature Energy: Nature energy (2020). https://doi.org/10.1038/s41560-020-0678-6.
(1)Formiato: Su fórmula química es HCOO⁻, y es un precursor de varios productos químicos muy usados en la industria. En inglés se le llama «formate», y el artículo de la Wikipedia sobre el químico es muy aceptable.: Wikipedia:Formate.
(2) La reducción es el proceso químico por el que se transforman los dos enlace entre el Carbono y el Oxígeno en uno solo. El breve artículo de la Wikipedia lo explica algo más: Wiki:Reducción.
(3) Fotocatalíticos: sistemas que aceleran la reacción, catalizadores, pero cuando son iluminados por luz.
(4)Es decir, sintetizar productos químicos con la ayuda de la luz solar del Oxígeno y dióxido de carbono del aire.
(5) Redox: Actividad de oxidación-reducción de alguna molécula.
(6) Con frecuencia, para evitar oscilaciones en la producción normales bajo condiciones reales de iluminación natural, se emplean fuentes artificiales de luz que son idénticas a la luz solar, pero mucho más constantes en la intensidad. Esto permite comprobar mucho mejor los efectos de la luz solar en el sistema bajo estudio.