Skip to main content

Article Category

Article available in the folowing languages:

Unos fotocatalizadores híbridos transforman CO2 en combustibles solares respetuosos con el medio ambiente

El proyecto HyMAP ha logrado un gran paso adelante en la producción de combustibles solares y productos químicos mediante la fotosíntesis artificial. Sus investigadores probaron materiales híbridos, diseñados para la disociación del agua y la conversión del CO2, desde la escala de laboratorio hasta un prototipo de reactor solar.

Energía
Investigación fundamental

La fotosíntesis artificial imita a la naturaleza al utilizar la luz solar para convertir el CO2 y el agua en compuestos energéticos, pero en lugar de producir azúcares, como ocurre en las plantas verdes, puede generar monóxido de carbono (CO), metano (CH4), metanol (CH3OH) e hidrógeno (H2), que tienen un gran interés como combustibles verdes. El proyecto HyMAP (Hybrid Materials for Artificial Photosynthesis), financiado por el Consejo Europeo de Investigación (CEI), se propuso desarrollar una nueva generación de materiales y dispositivos híbridos orgánicos e inorgánicos para realizar las transformaciones químicas necesarias para la fotosíntesis artificial, lo que posibilitaría el desarrollo de alternativas ecológicas a los electrodos de almacenamiento electroquímico para baterías. El equipo del proyecto investigó la foto(electro)catálisis a diferentes escalas, desde catalizadores a nanoescala hasta reactores de planta piloto, mediante la creación de nuevos materiales híbridos fotoactivos. «Nuestros resultados, sobre todo aquellos relacionados con el aumento del rendimiento, están a la vanguardia del conocimiento en el campo de la conversión del CO2, lo que constituye un hito para esta área de investigación», comenta Víctor A de la Peña O’Shea, investigador principal en el Instituto IMDEA Energía. En consecuencia, los hallazgos científicos se están comunicando a través de revistas científicas de alto perfil. La nueva familia de semiconductores orgánicos del proyecto, fabricados con polímeros porosos conjugados, ya se ha patentado para la producción de combustible solar.

Materiales híbridos

El objetivo principal de HyMAP era desarrollar sistemas multifuncionales con mejores capacidades para captar luz de todo el espectro solar. Para lograrlo, el equipo examinó fotocatalizadores híbridos mediante el estudio de varios materiales y métodos. Las diferentes estrategias adoptadas fueron (i) ingeniería de banda prohibida de semiconductores inorgánicos y (ii) semiconductores orgánicos; (iii) así como sus heterouniones; (iv) marcos organometálicos y (v) conversión ascendente. Las cuatro primeras estrategias permiten captar luz del espectro ultravioleta y visible, mientras que la conversión ascendente mejora la captura de luz del espectro infrarrojo. Es más, los semiconductores orgánicos e inorgánicos mejoran la generación y transferencia de carga, lo que aumenta el rendimiento fotovoltaico. «La combinación de materiales diferentes, cada uno especializado en funciones distintas de las reacciones fotocatalíticas —principalmente la absorción de luz, la separación de carga y la catálisis—, mejoró el rendimiento global», explica de la Peña O’Shea. Los mecanismos de reacción de estos materiales se caracterizaron en el laboratorio mediante una variedad de técnicas avanzadas «in situ», que incluyen la espectroscopia fotoelectrónica de rayos X a presión cercana al ambiente, la difracción de rayos X y la radiación de sincrotrón.

Reactor solar

El trabajo del equipo demostró que las heterouniones híbridas de semiconductores orgánicos e inorgánicos de polímero poroso conjugado exhibían un rendimiento particularmente alto, lo que condujo al diseño de un reactor solar en fase gaseosa. Este reactor consta de un reflector solar (un colector cilindro-parabólico compuesto), que redirige toda la radiación solar recibida hacia el reactor, y un reactor tubular anular de vidrio borosilicato, que es más resistente a las altas temperaturas. Se demostró la capacidad de este reactor para producir hidrógeno solar a partir de agua y biomasa, así como otros carburantes o productos químicos como CO, CH4 y CH3OH, utilizando CO2 como reactivo. «Estos excelentes resultados para la producción de combustible solar ya han conducido al desarrollo de una planta piloto, lo que aumentará nuestros conocimientos y permitirá optimizar los procesos antes de considerar las oportunidades de mercado —comenta de la Peña O’Shea—. Necesitamos ampliar el uso de estos materiales híbridos para otras reacciones, más allá de la fotocatálisis, a fin de incluir la foto(electro)catálisis para la síntesis de combustibles y productos químicos más sofisticados como, por ejemplo, el amoníaco, el etileno y el dimetiléter».

Ampliar para afrontar retos nuevos

El equipo de HyMAP ha comenzado ya un proyecto asociado de prueba de concepto financiado por el CEI, NanoCPPs, para desarrollar una prueba de concepto que permita ampliar la producción de sus polímeros porosos conjugados nanoestructurados. «La nanoestructura de este polímero ofrece propiedades mejoradas, lo que posibilita un mayor rendimiento», concluye de la Peña O’Shea. Maximizar de manera eficaz las propiedades electrónicas de estos sistemas, de modo que las alternativas respetuosas con el medio ambiente a los electrodos de almacenamiento electroquímico para baterías puedan desarrollarse y hacerse realidad es un reto pendiente.

Palabras clave

HyMAP, fotosíntesis artificial, hidrógeno, combustibles solares, nano, fotocatalítico, orgánico, inorgánico, semiconductores, materiales híbridos, verde

Descubra otros artículos del mismo campo de aplicación