{"id":804,"date":"2020-10-06T11:44:00","date_gmt":"2020-10-06T10:44:00","guid":{"rendered":"http:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/?p=804"},"modified":"2020-10-06T11:44:00","modified_gmt":"2020-10-06T10:44:00","slug":"un-paso-mas-hacia-sistemas-de-hojas-artificiales-funcionales-y-comerciales","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/2020\/10\/06\/un-paso-mas-hacia-sistemas-de-hojas-artificiales-funcionales-y-comerciales\/","title":{"rendered":"Un paso m\u00e1s hacia sistemas de hojas artificiales funcionales y comerciales."},"content":{"rendered":"\n

Uno de las soluciones m\u00e1s interesantes para el problema energ\u00e9tico actual y al vez reducir el nivel del gas CO2<\/sub> en la atm\u00f3sfera consiste en imitar la fotos\u00edntesis de las plantas. En un art\u00edculo reciente, se ha dado otro paso adelante en su posible implementaci\u00f3n pr\u00e1ctica con un sistema que produce formiato(1). El art\u00edculo est\u00e1 escrito pensando sobre todo en cient\u00edficos muy familiarizados con el tema a tratar, por lo que la introducci\u00f3n comienza hablando de los diversos qu\u00edmicos que se han explorado para lograr la reducci\u00f3n(2) de CO2<\/sub>, denotada CO2<\/sub>RR en el art\u00edculo, con RR el agente reductor. Comenta que disoluciones homog\u00e9neas de varios tipos de enlaces qu\u00edmicos se han usado previamente y que sistemas en los que se inmoviliza el catalizador en una superficie de semiconductor, para evitar su desgaste r\u00e1pido, se han empleado de manera que sumergidos en soluciones acuosas han funcionado bastante bien. El problema es que conseguir la funci\u00f3n CO2<\/sub>RR es s\u00f3lo la primera parte: luego, este subproducto deber\u00eda a su vez oxidarse para producir compuestos m\u00e1s o menos \u00fatiles. 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 energ\u00eda para iniciar la reacci\u00f3n, como la luz solar. As\u00ed, se ha investigado mucho, seg\u00fan los autores, en la creaci\u00f3n de sistemas que emplean la luz del sol para sintetizar, desde el CO22<\/sub> 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 fabricaci\u00f3n. Otra alternativa es el uso de coloides donde las part\u00edculas coloidales sean fotocal\u00edticos(3), pero con frecuencia son necesarias etapas extra con otros productos qu\u00edmicos, lo que dificulta su uso industrial. La soluci\u00f3n ideal ser\u00eda copiar a la naturaleza y crear un dispositivo que sea similar a una hoja de cualquier planta, capaz de hacer una fotos\u00edntesis(4). El problema es que, seg\u00fan los autores, lo \u00fanico similar es el sistema que ellos han desarrollado.<\/p>\n\n\n\n

La estructura de su sistema es lo que denominan hojas fotocal\u00edticas, compuestas de dos part\u00edculas semiconductoras con actividad redox(5) a\u00f1adidas 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 art\u00edculo han desarrollado uno de estos productos, con nombres y estructuras compl\u00edcad\u00edsimas para cada una de las tres partes que hacen falta: Una de ellas genera los electrones por foto-oxidaci\u00f3n del agua, mientra que la otra, recogiendo esos electrones por transmisi\u00f3n a trav\u00e9s de la capa de oro y uni\u00f3n con huecos de la tercera parte de la estructura y un catalizador pegado a ella, produce el formiato.<\/p>\n\n\n\n

La imagen siguiente lo explicita bastante bien:<\/p>\n\n\n\n

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Estructura de la hoja artificial. A la derecha, se observa como la interacci\u00f3n entre el agua, la luz (representada por el rayo rojo) y el material BiVO2RuO2 genera un electr\u00f3n que se desplaza dentro de la capa de oro, centro, para interaccionar con un hueco del material de la derecha y luz y usar el fotocatalizador para generar el formiato.
Imagen extra\u00edda de la figura 1.a<\/strong> del art\u00edculo citado.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

El art\u00edculo contin\u00faa explicando la forma en la que se fabric\u00f3 el sistema y luego pasa a dar algunos detalles que permiten caracterizar su producci\u00f3n de formiato, ox\u00edgeno e hidr\u00f3geno. Como la figura siguiente muestra, se produjeron estos productos mientras el sistema estaba iluminado por luz solar simulada(6), y sumergido en una soluci\u00f3n de agua con carbonato de potasio (K2<\/sub>CO3<\/sub>) saturada de CO2<\/sub>:<\/p>\n\n\n\n

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Producci\u00f3n de formiato, ox\u00edgeno, hidr\u00f3geno y CO cuando la hoja est\u00e1 iluminada. La producci\u00f3n total no es nada alta, de \u00b5moles por cm\u00b2, pero es un comienzo. De la figura 2.a <\/strong>del art\u00edculo citado.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Comprobaron tambi\u00e9n que la producci\u00f3n de formiato se deb\u00eda a la interacci\u00f3n descrita en la primera figura, no a otro tipo de reacciones secundarias no previstas mediante el uso del sistema con una soluci\u00f3n acuosa sin CO2<\/sub>. Adem\u00e1s, observaron que la producci\u00f3n de hidr\u00f3geno y ox\u00edgeno se mantuvo constante sin la presencia de CO2<\/sub>, lo que soporta la idea presentada en la primera imagen de que su sistema \u00abrompe\u00bb el agua.<\/p>\n\n\n\n

Despu\u00e9s comprobaron que el catalizador que emplearon efectivamente cumpl\u00eda su funci\u00f3n, dado que cuando expusieron a la luz el mismo tipo de estructura, pero sin el catalizador espec\u00edfico, no obtuvieron ning\u00fan producto. Tambi\u00e9n pudieron comprobar que el catalizador segu\u00eda funcionando bajo grandes cantidades de ox\u00edgeno, es decir, es resistente a la oxidaci\u00f3n, lo que no siempre es el caso. Y es importante porque al romper el agua, se produce ox\u00edgeno y por lo tanto \u00e9ste puede por oxidaci\u00f3n estropear el catalizador.<\/p>\n\n\n\n

Tambi\u00e9n comprobaron que la acci\u00f3n del sistema que implementaron se mantiene durante bastante tiempo. Durante los cuatros ciclos de rellenado de la soluci\u00f3n de K22<\/sub>CO3<\/sub> que emplearon durando m\u00e1s de 24 horas, su efectividad no baj\u00f3 demasiado, como indica la figura siguiente. Parece poco, pero hay multitud de sistemas cuya duraci\u00f3n es de horas, as\u00ed que es un paso de gigante que su sistema sea robusto a la oxidaci\u00f3n, aguante varios ciclos y durante m\u00e1s de 24 horas sin p\u00e9rdidas de funcionamiento.<\/p>\n\n\n\n

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Producci\u00f3n de productos a lo largo de cuatro ciclos tras el rellenado de K22<\/sub>CO3<\/code><\/sub> en el sistema. Se observa que la producci\u00f3n no var\u00eda demasiado. De la figura 4.d <\/strong>del art\u00edculo citado.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Comprobaron tambi\u00e9n la alta selectividad del catalizador por la reacci\u00f3n de inter\u00e9s y no por otra. Esto es importante, porque debido a la presencia de varios iones O\u207b en el medio de la reacci\u00f3n, es muy f\u00e1cil que se produzcan otras especies en zonas del catalizador que no estaban pensadas para ello. Despu\u00e9s concluyen con algunas formas de mejorar el dise\u00f1o, como fijar mejor el catalizador al sustrato, cambiar su composici\u00f3n, etc.<\/p>\n\n\n\n

En resumen, un paso importante en la consecuci\u00f3n de la so\u00f1ada 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 duraci\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n

El art\u00edculo sali\u00f3 publicado en la revista Nature Energy: Nature energy (2020). https:\/\/doi.org\/10.1038\/s41560-020-0678-6<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

(1)Formiato: Su f\u00f3rmula qu\u00edmica es HCOO\u207b, y es un precursor de varios productos qu\u00edmicos muy usados en la industria. En ingl\u00e9s se le llama \u00abformate\u00bb, y el art\u00edculo de la Wikipedia sobre el qu\u00edmico es muy aceptable.: Wikipedia:Formate<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

(2) La reducci\u00f3n es el proceso qu\u00edmico por el que se transforman los dos enlace entre el Carbono y el Ox\u00edgeno en uno solo. El breve art\u00edculo de la Wikipedia lo explica algo m\u00e1s: Wiki:Reducci\u00f3n<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

(3) Fotocatal\u00edticos: sistemas que aceleran la reacci\u00f3n, catalizadores, pero cuando son iluminados por luz.<\/p>\n\n\n\n

(4)Es decir, sintetizar productos qu\u00edmicos con la ayuda de la luz solar del Ox\u00edgeno y di\u00f3xido de carbono del aire.<\/p>\n\n\n\n

(5) Redox: Actividad de oxidaci\u00f3n-reducci\u00f3n de alguna mol\u00e9cula.<\/p>\n\n\n\n

(6) Con frecuencia, para evitar oscilaciones en la producci\u00f3n normales bajo condiciones reales de iluminaci\u00f3n natural, se emplean fuentes artificiales de luz que son id\u00e9nticas a la luz solar, pero mucho m\u00e1s constantes en la intensidad. Esto permite comprobar mucho mejor los efectos de la luz solar en el sistema bajo estudio.<\/p>\n\n\n\n

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