Imitando a la naturaleza: ¿Virus que mejoran la reacción de Water Splitting?

El proceso de water splitting es un mecanismo que permite el aprovechamiento directo de la energía solar y al mismo tiempo solventar uno de los principales problemas de este recurso, su intermitencia. En un estudio reciente, investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology) han diseñado un sistema catalítico inspirado en los procesos naturales que ocurren en las plantas durante la fotosíntesis. En este caso se ha empleado un virus modificado como soporte biológico para ensamblar todos los componentes necesarios para llevar a cabo el proceso de disociación de la molécula de agua.

Autora: [Laura Collado-Instituto IMDEA-Energía]

 La luz solar es el recurso energético más abundante que tenemos a nuestra disposición , de ahí que en la actualidad numerosos trabajos de investigación estén tratando de desarrollar mecanismos que permitan aprovechar de forma eficiente la radiación solar, convirtiéndola directamente en electricidad o en combustibles de alto contenido energético [1,2]. En este último caso, la reacción de disociación del agua en hidrógeno y oxígeno, proceso conocido como water splitting, permite el almacenamiento de la energía solar en forma de enlaces químicos. Muchos estudios centrados en este campo se basan en la imitación inteligente del proceso natural de fotosíntesis. La mimetización de este proceso para la producción de hidrógeno y oxígeno, requiere de un sistema catalítico estable y eficiente que sea capaz de promover la oxidación fotoquímica de la molécula de agua mediante su activación con luz visible. En la mayoría de los casos los catalizadores empleados son óxidos metálicos, sin embargo cada vez son más los trabajos que se están desarrollando y que emplean nuevos sistemas catalíticos basados en estructuras biológicas, para tratar de mejorar la eficiencia catalítica del proceso [3].

En esta línea, investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology) han sintetizado un sistema catalítico tratando de imitar los procesos naturales que tienen lugar durante la fotosíntesis de las plantas. En este caso, el equipo de investigación liderado por Ángela Belcher, directora del Grupo de Materiales Biomoleculares, empleó un virus no patógeno modificado al que han denominado M13, el cual utilizaron como soporte para unir químicamente un catalizador (óxido metálico) y un fotosensibilizador que sería el equivalente a los pigmentos fotosintéticos de las plantas. El catalizador escogido fue el óxido de iridio (IrO2) por su buena actividad catalítica en condiciones oxidantes, mientras que las porfirinas de zinc fueron seleccionadas como fotosensibilizadores dadas sus propiedades ópticas y electroquímicas. La función de los virus fue servir de estructura y facilitar el ensamblaje entre el catalizador y el fotosensibilizador. Uno de los aspectos críticos en el diseño de sistemas catalíticos destinados a procesos de fotosíntesis artificial es la distancia entre los componentes funcionales del sistema. Esta distancia debe ser la adecuada ya que si el espaciamiento entre el fotosensibilizador, el aceptor de electrones y el catalizador no es el óptimo pueden producirse procesos de corrosión y de degradación de los materiales. Para salvar esta dificultad el grupo de investigación decidió emplear un soporte biológico, nanocables del virus M13, que les permitiese contar con la versatilidad suficiente como para ensamblar los componentes del sistema catalítico con la proximidad adecuada. Para evitar que con el paso del tiempo los nanocables sufrieran procesos de agregación y pudiesen perder efectividad, los virus fueron previamente encapsulados en microgeles porosos, dotando a su vez de estabilidad a la estructura catalítica e inmovilizando los componentes [3].

Mediante el diseño de este sistema catalítico el grupo ha tratado de solventar una de las principales dificultades de los procesos de fotosíntesis artificial, la organización a nanoescala de los componentes funcionales del sistema, de forma que sea posible el control de los procesos de transferencia de carga. El uso de una estructura biológica como plantilla del sistema catalítico permitió mejorar la eficiencia de la formación de oxígeno durante la reacción de water splitting.

En la actualidad el grupo de investigación está trabajando en la búsqueda de un material de bajo coste que pueda ser empleado como catalizador en el proceso, de forma que se alcancen eficiencias similares a las obtenidas con el óxido de iridio pero empleando otros elementos metálicos más abundantes y de menor coste. La línea de investigación también continúa abierta para la búsqueda de materiales basados en estructuras biológicas que realicen la otra mitad del proceso de water splitting, es decir la producción de hidrógeno.

Referencias:

[1] Scholes G.D., Fleming G.R., Olaya-Castro A., van Grondelle R. Nature Chemistry, 2011, Vol.3.

[2] Kalyanasundaram K., Graetzel M. Current Opinion in Biotechnology, 2010, 21:298–310.

[3] Nam Y.S., Magyar A.P., Lee D., Kim J-W., Yun D.S., Park H., Pollom T.S., Weitz D.A., Belcher A.M. Nature Nanotechnology, 2010, Vol. 5.

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