Un rayo de sol en la investigación de los combustibles químicos renovables
Las plantas son una de las mayores obras de ingeniería de la naturaleza ya que capturan grandes cantidades de CO2 de la atmósfera, generan el oxígeno que respiramos y son capaces de crear energía química a partir de la luz solar. Esta última capacidad hace que sean una importante fuente de inspiración para los investigadores que aspiran a desarrollar alternativas ecológicas a los combustibles químicos. No obstante, al tratar de replicar este proceso, muchos de ellos han chocado con obstáculos difíciles de superar. «Diseñar una plataforma que pueda captar la luz solar y convertirla en la energía química de un combustible es, sin duda, un gran reto», afirma Bettina Lotsch, directora del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido e investigadora principal del proyecto COFLeaf (Fuel from sunlight: Covalent organic frameworks as integrated platforms for photocatalytic water splitting and CO2 reduction), financiado por el CEI. «En gran parte, es cuestión de materiales. Tenemos que orquestar un conjunto de procesos fisicoquímicos complejos, cada uno de los cuales tiene su propia escala temporal y sus propios requisitos de materiales, en el marco de una plataforma de materiales estables y abundantes en la tierra». Con su beca del CEI, Lotsch trató de desarrollar fotocatalizadores de última generación capaces de atender los requisitos. Decidió también prescindir de los fotocatalizadores inorgánicos, que son con frecuencia tóxicos, costosos y difíciles de modular. En su lugar, decidió centrarse en los sistemas orgánicos, que son modulables «desde el mismo nivel atómico». «Nuestros materiales se denominan marcos orgánicos covalentes (COF, por sus siglas en inglés). Son algo similares a la maquinaria fotosintética natural de una planta: se basan en el carbono, son muy versátiles, están bien definidos en el plano molecular y se adaptan a las herramientas disponibles en la síntesis orgánica», explica Lotsch. Los COF pueden verse como un puente entre las moléculas orgánicas y los materiales de estado sólido. Se unen compuestos orgánicos simples entre sí para formar COF, lo que permite modular su composición mediante química simple. A diferencia de muchos otros materiales poliméricos orgánicos, los COF presentan, además, una estructura que puede estudiarse fácilmente: al ser cristales, permiten emplear una amplia gama de sondas de difracción y microscópicas que proporcionan perspectivas únicas sobre sus estructuras de estado sólido. «Los COF cuentan con muchas ventajas», señala Lotsch. «Tienen un grado excepcionalmente alto de modulabilidad, tanto compositiva como estructural, a diferencia de los polímeros clásicos. Además, su porosidad estructural les proporciona una ventaja respecto a otros fotocatalizadores en términos de superficie total. La regla básica es que, cuanto mayor sea la superficie total, mejor será la actividad catalítica».
Un nuevo y prometedor campo de investigación
Tras cinco años de investigación, Lotsch y su equipo pudieron demostrar satisfactoriamente que los COF muestran un gran potencial como sistemas de conversión energética abundantes en la tierra y altamente modulables. Su potencial es tan inmenso que ha abierto un nuevo campo de investigación, llamado «fotocatálisis suave». Puede que el resultado más importante del proyecto sea demostrar que los COF pueden captar luz de forma eficiente y convertirla en energía química, como hidrógeno. Los nuevos sistemas fotocatalíticos son abundantes en la tierra y funcionan en condiciones acuosas. Gracias a las innovadoras estrategias químicas, podrían incluso convertirse en robustos en el plano químico bajo condiciones fotocatalíticas agresivas. «También hemos demostrado lo que hasta ahora era —y sigue siendo— uno de los santos griales de la fotocatálisis. Podemos modular los parámetros que determinan la actividad con precisión atómica. Por último, hemos desarrollado plataformas fotocatalíticas heterogéneas de centro único con precisión molecular. Estas plataformas no solo reducen el uso de metales nobles y costosos durante la fotocatálisis, sino que también sirven para comprender mejor el mecanismo de reacción fotocatalítica». Finalmente, los esfuerzos de Lotsch podrían contribuir a la materialización de plataformas fotosintéticas artificiales eficientes y altamente modulables mediante polímeros orgánicos. Aunque las aplicaciones comerciales quedan todavía muy lejos, el desarrollo del proyecto de baterías solares para una clase de polímeros llamados nitruros de carbono, junto con conceptos como la «fotocatálisis oscura» con demora temporal, apuntan ya hacia líneas de investigación prometedoras. Otras posibles aplicaciones incluyen la fijación del nitrógeno y la valorización de la biomasa o los microplásticos.
Palabras clave
COFLeaf, fotosíntesis, baterías solares, COF, luz solar, combustible químico