Los investigadores llevan mucho tiempo tratando de imitar la fotosíntesis, para aprovechar la energía del Sol para generar combustibles químicos. Ahora, un equipo de científicos se ha acercado más que nadie hasta ahora a este objetivo. Este equipo de investigadores desarrolló un nuevo catalizador a base de cobre y hierro, que utiliza la luz para convertir el dióxido de carbono (CO2) en metano, el principal componente del gas natural. Si logran refinar este nuevo catalizador aún más, podría ayudar a reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles.
Este nuevo trabajo es un “avance emocionante”, comenta Edward Sargent, químico y experto en combustibles solares de University of Toronto, sin relación alguna con la investigación. “La ventaja de generar metano es que ya existe infraestructura extendida para almacenarlo, distribuirlo y utilizarlo”.
El metano recientemente sobrepasó en uso al carbón como la principal fuente de combustible para generar electricidad en los EEUU. Cuando se quema, se descompone en CO2 y agua, liberando calor, que es utilizado para generar electricidad. La producción de metano utilizando luz solar esencialmente ejecuta este proceso pero al revés, comenzando con CO2 y agua, pero agrega electricidad para volver a formar los enlaces químicos del metano.
Sin embargo, esta conversión no es sencilla. Hay que añadir ocho electrones y cuatro protones a una molécula de CO2 para formar una molécula de metano. Añadir cada electrón y cada protón requiere energía para impulsar cada paso de la transformación. Los catalizadores metálicos pueden ayudar a que se produzcan estas reacciones, al aferrarse a los socios moleculares, lo que hace que las reacciones sean más probables y menos costosas desde el punto de vista energético.
Hace varios años, los científicos ya descubrieron que las partículas de cobre, cuando se combinaban con materiales que absorbían la luz, mostraban una promesa inicial en la conversión del CO2 en compuestos más ricos en energía. Pero la eficiencia y la velocidad a la que lo conseguían era aún baja. Los investigadores trataron de combinar el CO2 con otros materiales. Depositaron partículas de dos metales encima de campos de nanocables del tamaño de un cabello, diseñados para actuar como minicélulas solares. Las células absorben la luz solar y la convierten en electricidad, que alimenta a los electrones del catalizador y mejora las reacciones químicas.
En 2016, los investigadores informaron que los catalizadores que contenían cobre y oro depositados encima de nanocables de silicio de recolección ligera ayudaron a convertir el CO2 en monóxido de carbono, un compuesto ampliamente utilizado en la industria. En marzo de 2019, Zetian Mi, ingeniera eléctrica de University of Michigan (en Ann Arbor), y sus compañeros descubrieron que un catalizador a base de rutenio y circonio cultivado sobre matrices de nanocables de nitruro de galio (GaN) absorbentes de luz convertía CO2 de manera eficiente para formar otro compuesto útil para la industria. Pero ninguno de estos esfuerzos generó un combustible que pudiera ser ampliamente utilizado.
Ahora, Mi y sus compañeros han ideado una receta para hacer precisamente eso. Comenzaron con los mismos nanocables de nitruro de galio (GaN) cultivados sobre una oblea de silicio, ampliamente disponibles en el mercado. Luego utilizaron una técnica estándar llamada electrodeposición para agregar pequeñas partículas de 5 a 10 nanómetros de ancho, que consisten en una mezcla de cobre y hierro. Bajo la luz y en presencia de CO2 y agua, la configuración convierte el 51% de la energía de la luz en metano y funciona a un ritmo rápido.
Otros investigadores habían logrado previamente una mayor eficiencia para generar metano a partir de luz solar. Pero funcionaba tan lentamente que no era práctico. El nuevo catalizador, descrito en un artículo publicado este enero de 2020 en Proceedings of the National Academy of Sciences, tiene la combinación más alta de eficiencia y rendimiento en la conversión de CO2 en metano para un catalizador impulsado por la luz, afirma Mi. El modelado por computadora reveló que los dos metales en el catalizador trabajan juntos para unir las moléculas de CO2, obligándolos a doblarse de una manera que les facilita reaccionar y absorber los electrones entrantes. «Reduce la barrera de energía para el paso crítico«, concluye Mi.
La configuración tiene otra gran ventaja. A diferencia de muchos otros materiales que absorben luz y catalizadores generadores de combustible, todos los componentes del enfoque actual son baratos, abundantes y ya se utilizan en la industria. Sargent señala que los próximos pasos probablemente serán mejorar tanto la eficiencia como la tasa de producción de metano, los cuales serían necesarios para que el sistema actual sea práctico. Si eso sucede, el nuevo enfoque podría ofrecer a la sociedad una forma de usar la luz solar para hacer un combustible que pueda usarse mucho después de que se ponga el sol.
Fuente: Science.
