Últimos Avances en la Fotosíntesis Artificial para la Producción de Combustibles Sostenibles

Recientemente se ha obtenido un nuevo hito en la fotosíntesis artificial, que ha alcanzado una eficiencia energética sostenida del 1% en la producción de metano y de etano.

Autores: Juan M. Coronado y Antonio López de Lacey. Instituto de Catálisis y Petroleoquímica. CSIC

A pesar del papel cada vez más relevante de otros sistemas alternativos de automoción, como los vehículos eléctricos, el uso de combustibles fósiles constituye todavía la base fundamental de nuestro sistema de transporte. Esto es así, entre otras razones, porque los hidrocarburos son ricos en energía (por ejemplo, la gasolina presenta una densidad energética de 45.7 MJ/kg), razonablemente seguros, fáciles de almacenar y transportar y, a pesar de lo que podamos pensar cuando llenamos nuestro depósito, relativamente baratos.  Actualmente, según los datos de la Agencia de International de la Energía (IEA), el consumo total del petróleo en todo el mundo es de aproximadamente 93 millones de barriles por día (equivalente a 15,000 millones litros diarios). Sin embargo, es de sobra conocido que la combustión de hidrocarburos genera cantidades masivas de CO2 que se acumula en la atmósfera. Este gas, cuya concentración en el aire ha alcanzado recientemente las 410 ppm, es el principal responsable del cambio climático que ya nos está afectando. Las consecuencias negativas de esta modificación de la composición atmosférica están bien documentadas, y existe un importante consenso internacional, plasmado en acuerdos como el de París de 2015, para limitar y, en a la medida de lo posible, revertir sus efectos. Mantener el planeta en condiciones climáticas estables requerirá conseguir en el año 2030 una disminución en las emisiones globales de CO2 de un 45% respecto a los niveles de 2010. Este ambicioso objetivo precisa del desarrollo de tecnologías radicalmente diferentes, que puedan contribuir a paliar nuestra dependencia del petróleo.

De entre los procesos que se están investigando actualmente, una de las vías más atractivas para la producción de combustibles sostenibles es empleo de luz solar para reciclar el CO2, combinarlo con agua, y convertirlo en combustibles basados en hidrocarburos. Siguiendo esta ruta de transformación sería posible limitar casi totalmente las emisiones de gases de efecto invernadero, sin renunciar a utilizar combustibles basados en hidrocarburos, y plenamente compatibles con la actual infraestructura de distribución, pero obtenidos de forma sostenible. Sin embargo, aunque este concepto es muy atractivo, este proceso, a menudo denominado fotosíntesis artificial, no es todavía viable debido a las reducidas eficiencias de la fotoconversion de CO2. Aunque se han investigado una gran variedad de semiconductores para determinar su capacidad para promover la fotorreducción de CO2 bajo la luz solar, la producción global de hidrocarburos, fundamentalmente metano, no ha superado la producción de unos pocos microgramos por gramo catalizador y hora de reacción. Obviamente esto valores son muy insuficientes para obtener las cantidades masivas de combustibles que requiere nuestra sociedad. En términos energéticos, las eficiencias de la conversión de luz solar en combustibles que se han obtenido en la mayoría de los trabajos son muy inferiores al 0.1%.

No obstante, el enorme potencial de la fotosíntesis artificial está promoviendo de forma muy activa la investigación en esta área, con el fin de lograr producciones de hidrocarburos mucho más atractivas. Una de las vías para conseguir esta mejora es aumentar nuestra comprensión de los mecanismos a escala atómica de estas reacciones, para facilitar el diseño de nuevos catalizadores más activos.1 En este sentido, una colaboración reciente entre grupos de investigación de Corea, Japón y Estados Unidos ha permitido alcanzar un nuevo record en la producción de metano y cantidades menores de etano, a partir de CO2 y H2O empleado un fotocatalizador de TiO2 reducido y utilizando con nanopartículas de Cu y Pt espacialmente separadas como co-catalizadores.2 Con este material se han obtenido un rendimiento energético del 1%, que supone un incremento de más de un orden de magnitud respecto a resultados anteriores. Además, el sistema ha demostrado una estabilidad notable, siendo capaz de mantener la actividad durante al menos 5 ciclos de irradiación sucesivos de 12 h sin mostrar signos de desactivación. Estos resultados prometedores refuerzan el interés de esta ruta como futura alternativa para la producción de combustibles obtenidos mediante la reutilización del CO2 y energía solar.

Bibliografía

  1. L. Collado, A. Reynal, F. Fresno, M. Barawi, C. Escudero, V. Perez-Dieste, J. M. Coronado, D. P. Serrano, J. R. Durrant, V. A. de la Peña O’Shea. Unravelling the effect of charge dynamics at the plasmonic metal/semiconductor interface for CO2 photoreduction. Nature Comm. volume 9, Article number: 4986 (2018)https://www.nature.com/articles/s41467-018-07397-2.pdf
  2. S. Sorcar, Y. Hwang, J. Lee, H. Kim, K. M. Grimes, C. A. Grimes, J-W Jung, C-H Cho, T. Majima, M. R. Hoffmannd, S-I In, CO2, water, and sunlight to hydrocarbon fuels: a sustained sunlight to fuel (Joule-to-Joule) photoconversion efficiency of 1%. Energy Environ. Sci. (2019) . en prensa. DOI: 10.1039/c9ee00734b

Contacto

Antonio López de Lacey, Responsable de Grupo FCF del Programa FotoArt-CM. – alopez@icp.csic.es

Coordina FotoArt-CM Víctor A. de la Peña O´Shea del Instituto IMDEA Energía.

 

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