novaCO2: una fotosíntesis artificial optimizada para la producción de combustibles sostenibles
Unidad de Procesos Fotoactivados de IMDEA Energía
La implementación eficiente de nuevas rutas para producir combustibles sostenibles y productos de valor añadido a través de fuentes de energía renovable es uno de los mayores desafíos para nuestra sociedad. Entre las rutas de valorización de CO2 no convencionales propuestas en novaCO2, la fotosíntesis artificial en celdas fotoelectroquímicas (PEC) es una de las estrategias más prometedoras.
Sin embargo, las eficiencias de conversión de energía solar son aún bajas. La mejora de estas conversiones debe venir del diseño y la síntesis de materiales para el desarrollo de fotoelectrodos altamente activos, así como de la profunda investigación de las propiedades optoelectrónicas responsables de su comportamiento como fotocatalizadores. En este sentido, proponemos el diseño y fabricación de celdas PEC tándem compuestas por fotoelectrodos híbridos formados por semiconductores orgánicos e inorgánicos. La combinación de estos materiales mejorará la absorción de luz y disminuirá la recombinación de carga normalmente presentada por los óxidos metálicos.
La utilización de ambos electrodos fotoactivos (fotoánodo y fotocátodo) aumentará el fotovoltaje alcanzado, disminuyendo el potencial externo requerido, colocándolo en el camino hacia la situación de polarización cero deseada para realizar la reducción fotoelectroquímica de CO2. El proyecto de investigación que se propone incluye actividades que van desde la síntesis orgánica e inorgánica y la química física hasta la química de las superficies. Es por ello y con el fin de lograr la comprensión de todo el proceso que proponemos un enfoque de caracterización único, que combina la medida de las propiedades químicas, morfológicas y optoelectrónicas de los materiales con la investigación in situ de los procesos de absorción de luz, transferencia de carga y reactividad en las celdas PEC finales, tanto en NAP-XPS como en absorción de rayos X (se cuenta con la participación del sincrotrón ALBA en el equipo de investigación).
El estudio de la correlación entre la actividad y propiedades nos permitirá dilucidar los mecanismos de reacción y construir relaciones clave de reactividad/estructura que ayudarán en el desarrollo de sistemas futuros. En el contexto del proyecto coordinado, este subproyecto contribuirá al desarrollo de la tecnología de conversión de CO2 a través de celdas PEC y complementará fuertemente las actividades del otro subproyecto. En este sentido, los materiales sintetizados para las celdas PEC también presentan potencial en las otras dos tecnologías propuestas, conversión de CO2 fototérmica y microondas-térmica. Además, la extensa caracterización prevista en el proyecto global está fuertemente respaldada por las actividades de este subproyecto, en particular las relacionadas con las propiedades optoelectrónicas y las espectroscopias de rayos X basadas en sincrotrones que pueden fácilmente extenderse a las tecnologías térmicas.
Por tanto, se espera una retroalimentación mutua tanto en la síntesis de materiales como en la caracterización. Este proyecto constituirá una gran mejora tecnológica en el área de investigación del almacenamiento de energía y se espera que tenga un amplio impacto en la sociedad, produciendo también beneficios ambientales y económicos. Además, ofrece una estrategia alternativa viable y sostenible al actual sistema de conversión de energía, ayudando en la reducción de las emisiones antropogénicas de CO2 y, en consecuencia, en la lucha contra el cambio climático.
