LA FOTOSÍNTESIS ARTIFICIAL: UN NUEVO RETO PARA MITIGAR EL CALENTAMIENTO GLOBAL Y ASEGURAR EL SUMINISTRO ENERGÉTICO EN UN FUTURO PRÓXIMO

El desarrollo de nuevas e innovadoras vías de valorización de CO₂ mediante su transformación en productos con alta demanda (principalmente combustibles) ha aumentado considerablemente en la actualidad debido a la necesidad de avanzar hacia un modelo energético más sostenible que permita mitigar el cambio climático. En este contexto se sitúan una serie de procesos que, inspirados en la fotosíntesis natural, utilizan la energía solar para producir otros tipos de energía a partir de CO₂ y H₂O.

Autores: [Julio Núñez Casas y Laura Collado Brunete. Grupo de Procesos Termoquímicos. IMDEA Energía]

Según la AIE (Agencia Internacional de la Energía), para evitar daños catastróficos e irremediables al clima mundial se requiere una importante descarbonización de las fuentes de energía del mundo. A pesar de esta advertencia, el último informe ejecutivo realizado por la propia AIE refleja que en la actualidad las fuentes de energía de carácter fósil (petróleo, carbón y gas natural respectivamente) siguen aportando conjuntamente más del 70% de la energía primaria consumida. Si a este hecho añadimos que según las previsiones estimadas durante los próximos años no se esperan grandes cambios en el origen de la energía primaria, el panorama energético a medio-largo plazo no es muy halagüeño. Como respuesta a esta situación  los gobiernos de todo el mundo se plantean nuevas líneas de actuación y políticas energéticas más sostenibles encaminadas a mitigar el cambio climático.

Una de las alternativas más prometedoras que se plantea como solución para reducir el efecto invernadero y a la vez asegurar el suministro energético en un futuro próximo es la “fotosíntesis artificial”. El término fotosíntesis artificial se aplica a aquellos procesos que, inspirados en la fotosíntesis natural, utilizan la energía solar para producir otros tipos de energía. Los dos principales procesos que podrían ser catalogados como “fotosíntesis artificial” son la producción de hidrógeno (H₂) a partir de agua (H₂O) y la fotorreducción de CO₂ usando agua (H₂O) como agente reductor. Ambos procedimientos se basan en métodos fotocatalíticos, o lo que es lo mismo, una reacción catalítica que involucra  el uso de luz solar como fuente de energía. Los catalizadores empleados en este tipo de procesos son materiales semiconductores, capaces de absorber luz y generar pares electrón-hueco que reaccionen con especies activas en la superficie del catalizador y den lugar a la reacción fotocatalítica [1].

Figura 1. Esquema comparativo entre la fotosíntesis y la fotorreducción de CO_2.

Durante el proceso de fotosíntesis, las plantas convierten la energía de la luz solar en energía química a través de un ciclo de reacciones catalizadas por sistemas enzimáticos. De forma análoga, la fotosíntesis artificial trata de imitar el proceso natural mediante la absorción de luz por el material semiconductor y la transformación de esa energía luminosa en combustibles, partiendo en ambos casos únicamente de CO₂ y H₂O (Figura 1). En la naturaleza este proceso se divide en dos etapas:

1)      La fase luminosa de la fotosíntesis, donde tras la absorción de la luz solar por las plantas se produce la fotólisis de la molécula de agua, dando como productos resultantes H₂ y O₂ [2]. Este proceso equivaldría al denominado “water-splitting” (Oxidación de agua) y da lugar a la producción de H₂ que es considerado como un vector energético limpio.

2)      Por otro lado, durante la fase oscura de la fotosíntesis tiene lugar la fijación del CO₂ atmosférico que, junto con agua y la energía almacenada durante la fase anterior, es empleado para la síntesis de compuestos orgánicos como la glucosa [2]. En la fotosíntesis artificial esta etapa equivaldría a los procesos de fotorreducción de CO₂, que al igual que el agua necesita un gran aporte energético para disociarse. Esta energía es obtenida a partir de radiación UV/vis que favorece la reducción de CO₂ y la producción de hidrocarburos (gracias al H₂ proveniente del agua) que pueden ser empleados como combustibles, tales como metano (CH₄), metanol (CH₃OH), etanol (CH₃CH₂OH) y ácido fórmico (HCOOH) [3].

Por lo tanto una alternativa muy interesante para la síntesis de hidrocarburos es la combinación de ambas etapas: los procesos de fotorreducción de CO₂ y “water-splitting” [4]. Estos procesos cuentan con el potencial de poder emplear dos de los recursos más abundantes en la Tierra, agua y luz solar, en un proceso análogo a la fotosíntesis. No obstante, esta línea de trabajo aún requiere de un importante esfuerzo en investigación y desarrollo para su futura viabilidad tanto a nivel económico como científico-técnico, especialmente mediante la optimización de fotocatalizadores adecuados para su uso dentro del rango de la región visible del espectro solar.

En definitiva, el desarrollo de estos procesos constituye una alternativa de valorización del CO₂ muy interesante, que permitiría, si se alcanza la eficiencia necesaria, reducir los niveles de concentración atmosférica de este gas de efecto invernadero mediante su transformación en combustibles de alto contenido energético.

[1] Usubharatana P, McMartin D, Veawab A, Tontiwachwuthikul P. Photocatalytic process for CO₂ emission reduction from industrial flue gas streams. Ind. Eng. Res. 2006, 45, 2558-2568. 

[2] Blankenship R. Mechanisms of Photosynthesis. Blackwell Science Ltd., 2002.

[3] Indrakanti VP, Kubicki JD, Schobert HH. Photoinduced activation of CO₂ on Ti-based heterogeneous catalyst: current state, chemical physics-based insights and outlook. Energy Environ. Sci., 2009, 2, 745-758.

[4] Roy S, Varghese O, Paulose M, Grimes C. Towards Solar Fuels: Photocatalytic Conversion of Carbon Dioxide to Hydrocarbons. J. Am. Chem. Soc. 2010, 4, 1259-1278.