{"id":134608,"date":"2020-11-20T11:58:03","date_gmt":"2020-11-20T10:58:03","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/?p=134608"},"modified":"2020-11-20T12:02:21","modified_gmt":"2020-11-20T11:02:21","slug":"la-investigacion-en-combustibles-solares-una-opcion-muy-prometedora","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/2020\/11\/20\/134608","title":{"rendered":"La investigaci\u00f3n en combustibles solares: una opci\u00f3n muy prometedora"},"content":{"rendered":"

Autor: Jos\u00e9 Carlos Conesa Cegarra (Instituto de Cat\u00e1lisis y Petroleoqu\u00edmica, CSIC)<\/strong><\/p>\n

La Wikipedia define as\u00ed \u201csolar fuel\u201d (que se puede traducir al castellano como combustible solar): \u201cA solar fuel is a synthetic chemical<\/span> fuel<\/a> produced from solar energy\u201d.<\/span><\/p>\n

La idea de obtener combustibles solares por alg\u00fan procedimiento es muy antigua. Ya el catedr\u00e1tico de la Universidad de Bolonia Giacomo Ciamician, en un conocido art\u00edculo (\u201cThe Photochemistry of the Future\u201c, Science. New Series 36, 1912, 385-394) terminaba diciendo \u201cSo far, human civilization has made use almost exclusively of fossil solar energy. Would it not be advantageous to make better use of radiant energy?\u201d. Pues bien, solo un a\u00f1o m\u00e1s tarde B. Moore y T.A. Webster, en lo que es posiblemente el primer trabajo publicado sobre fotocat\u00e1lisis heterog\u00e9nea, mostraban (Roy. Proc. Soc. B 87, 1913, 163) c\u00f3mo reducir CO2<\/sub> a formaldeh\u00eddo usando como fotocatalizadores coloides (probablemente parcialmente hidratados) de \u00f3xidos de hierro o uranio. Lo que es, de una manera u otra, el primer caso de fotogeneraci\u00f3n de combustibles solares; o, llamado de otro modo, de fotos\u00edntesis artificial.<\/span><\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Figura 1. Esquema general de la producci\u00f3n de combustibles solares.<\/em><\/p>\n

Habr\u00edan de pasar casi 70 a\u00f1os para que A. Fujishima y K Honda publicaran (en Bull Chem. Soc. Japan 44, 1971, 1148; un a\u00f1o antes, pues, que el c\u00e9lebre art\u00edculo en Nature) su art\u00edculo \u201cElectrochemical Evidence for the Mechanism of the Primary Stage of Photosynthesis\u201d en que mostraban c\u00f3mo irradiando un monocristal de TiO<\/span>2<\/sub> con fotones de energ\u00eda superior a su bandgap (de 3.0 eV) se produc\u00edan corrientes an\u00f3dicas con generaci\u00f3n de O<\/span>2<\/sub>; mientras que en otro electrodo, de platino, se produc\u00eda H<\/span>2<\/sub>. Es decir, se consegu\u00eda la disociaci\u00f3n fotoelectroqu\u00edmica del agua. En 2021 se cumplir\u00e1n 50 a\u00f1os de ese art\u00edculo de Fujishima y Honda; deber\u00eda festejarse de alg\u00fan modo tal aniversario.<\/span><\/span><\/p>\n

A fecha de hoy, la actividad en el tema de los combustibles solares es enorme. Existe, por lo pronto, una red europea dedicada a tales combustibles (www. solarfuelsnetwork.com), basada en el Reino Unido pero activa en toda Europa. En Estados Unidos existe el Joint Center for Artificial Photosynthesis, con centros en Berkeley y el CalTech, que mantiene el \u201cSolar Fuels Hub\u201d (https:\/\/solarfuelshub.org\/<\/a>); tambi\u00e9n el centro de investigaci\u00f3n estadounidense NREL tiene una actividad considerable en este tema. La revista Nature mantiene una vigilancia continua sobre ello; y la iniciativa europea SUNERGY (resultado de la fusi\u00f3n reciente de dos propuestas europeas de flagship, SUNRISE y ENERGY-X) dedicar\u00e1 considerables esfuerzos a la investigaci\u00f3n en combustibles solares. La organizaci\u00f3n nanoGe, por ejemplo, en su \u201cFall Meeting\u201d celebrado el pasado mes de octubre de 2020 ha dedicado uno de sus simposios al tema \u201cSolar Fuels\u201d, en que han participado como invitados cient\u00edficos tan destacados como K. Domen, J. Durrant, L. Hammarstr\u00f6m o S. Haussener; en ese mismo simposio present\u00f3 una comunicaci\u00f3n quien esto firma.<\/span><\/p>\n

Se consideran combustibles solares tanto la disociaci\u00f3n del agua en O2<\/sub> y H2<\/sub> como la reducci\u00f3n de CO2<\/sub> a cualquier otra sustancia oxidable (por supuesto, ha de generarse tambi\u00e9n O2<\/sub> o eventualmente H2<\/sub>O2<\/sub>); en ambos casos, usando energ\u00eda solar. Cabe decir que esto incluye tanto los procesos fotocatal\u00edticos, o fotoelectroqu\u00edmicos, como el acoplamiento de c\u00e9lulas fotovoltaicas a sistemas electroqu\u00edmicos que realicen cualquiera de esos procesos. La simple fotocat\u00e1lisis (generalmente heterog\u00e9nea) en disoluci\u00f3n tiene la desventaja de que los productos de oxidaci\u00f3n y reducci\u00f3n pueden recombinarse a poco que el material usado tenga capacidad catal\u00edtica; por eso se prefiere un sistema fotoelectroqu\u00edmico, o el acoplamiento de una c\u00e9lula fotovoltaica a un electrolizador, pues estos casos permiten tener membranas permeables s\u00f3lo a iones simples (como OH–<\/sup> o H+<\/sup>) que separen los productos oxidados y reducidos.<\/span><\/p>\n

Para absorber la luz se suelen usar semiconductores con bandgap apropiado. Puede utilizarse s\u00f3lo uno, en cuyo caso debe posibilitar una separaci\u00f3n de electrones y huecos, y con suficiente energ\u00eda como para superar todas las barreras de potencial necesarias. La termodin\u00e1mica de disociaci\u00f3n del agua a temperatura ambiente requiere un bandgap m\u00ednimo de 1.23 eV, y la de reducci\u00f3n de CO2<\/sub> a sus muy variados productos, valores semejantes (ver la figura 2). Un bandgap m\u00ednimo ser\u00eda entonces del orden de unos 1.8 eV, aunque si se quiere generar H2<\/sub>O2<\/sub> se requiere m\u00e1s diferencia de potencial. Otra opci\u00f3n es combinar dos semiconductores en un \u201cesquema Z\u201d (como en la fotos\u00edntesis natural), que se basa en una separaci\u00f3n muy r\u00e1pida de electrones y huecos fotogenerados en su interfase, o con un mediador r\u00e9dox. En ese caso uno de los semiconductores debe tener su banda de conducci\u00f3n en una posici\u00f3n capaz de producir H2<\/sub> (o reducir CO2<\/sub>), y el otro debe tener su banda de valencia en posici\u00f3n tal que pueda generar O2<\/sub>. Tambi\u00e9n es cierto que si se hace mediante el acoplamiento de una c\u00e9lula fotovoltaica a un sistema electroqu\u00edmico hay m\u00e1s opciones; desde acoplar varias c\u00e9lulas de silicio (har\u00edan falta, seguramente, al menos tres) a usar c\u00e9lulas fotovoltaicas t\u00e1ndem (que pueden dar voltajes superiores) o esquemas m\u00e1s avanzados como las c\u00e9lulas de portadores calientes o de tres terminales. Por otra parte, se conocen circuitos electr\u00f3nicos que con p\u00e9rdidas m\u00ednimas de energ\u00eda pueden subir o bajar voltajes casi a voluntad.<\/span><\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

Figura 2. Posiciones de las bandas de conducci\u00f3n y valencia de semiconductores t\u00edpicos respecto a los potenciales de electrodo.<\/em><\/p>\n

En cualquiera de los casos hacen falta co-catalizadores que faciliten tanto la generaci\u00f3n de O2<\/sub> como la producci\u00f3n de H2<\/sub> o la reducci\u00f3n de CO2<\/sub>. Para disociar el agua en H2<\/sub> y O2<\/sub> se conocen desde hace mucho catalizadores basados respectivamente en Pt o en IrO2<\/sub> (tambi\u00e9n sirve el RuO2<\/sub>), que funcionan bien en medio \u00e1cido; pero \u00e9stos implican materiales muy caros. Para generar O2<\/sub> con materiales menos costosos pueden servir oxihidr\u00f3xidos de Ni, Fe o Co (mejor si son combinados), o materiales amorfos basados en compuestos de los mismos elementos; aunque s\u00f3lo act\u00faan bien en medio alcalino. Para generar H2<\/sub> hay opciones basadas en MoS2<\/sub>, pero se han propuesto tambi\u00e9n carburos, nitruros y fosfuros de elementos m\u00e1s baratos. Para reducir CO2<\/sub> hay varias opciones, dependiendo del producto deseado. Muchas incluyen cobre, como son las aleaciones Cu-In para obtener CO, o Cu-Zn para obtener metanol; con s\u00f3lo Cu se obtienen para potenciales muy negativos metano o etileno, y con potenciales menores mezclas de CO y H2<\/sub>, que podr\u00edan usarse para obtener metanol, o hidrocarburos con una s\u00edntesis Fischer-Tropsch (en ambos casos por cat\u00e1lisis t\u00e9rmica, sin necesidad de luz). Importa que los productos de oxidaci\u00f3n y reducci\u00f3n no se recombinen entre s\u00ed; por ello se suele usar (salvo en los casos de fotocat\u00e1lisis) membranas permeables s\u00f3lo a iones tales como H+<\/sup> o OH–<\/sup>. Cuando se necesita tener pH distintos a ambos lados se puede recurrir a membranas bipolares comerciales.<\/span><\/p>\n

Por otro lado, tanto para acoplamientos entre c\u00e9lulas fotovoltaicas y electrolizadores como para sistemas fotoelectroqu\u00edmicos pueden usarse enzimas: hidrogenasas para la generaci\u00f3n de H2<\/sub>, lacasas para la de O2<\/sub> o formiato deshidrogenasa para reducir CO2<\/sub> a \u00e1cido f\u00f3rmico o formiato.<\/span><\/p>\n

Finalmente, puede considerarse tambi\u00e9n como generaci\u00f3n de combustibles solares la s\u00edntesis de amon\u00edaco (como transportador de hidr\u00f3geno), sobre todo si se hace usando electricidad obtenida de fuentes renovables acopl\u00e1ndola a electrolizadores que generen dicho compuesto a partir de N2<\/sub> y agua (obviamente, generando de nuevo O2<\/sub>); sobre este tema se trabaja hoy muy activamente.<\/span><\/p>\n

En cualquier caso, la investigaci\u00f3n para la producci\u00f3n de combustibles solares es hoy enormemente activa. Una soluci\u00f3n que no requiera materiales caros est\u00e1 a\u00fan a algunos a\u00f1os vista, pero podr\u00eda ser comercialmente viable dentro de, digamos, 10 a\u00f1os.<\/span><\/p>\n

Contacto<\/strong><\/p>\n

Jos\u00e9 Carlos Conesa,\u00a0Investigador del grupo FCF\u00a0del Programa FotoArt-CM.<\/p>\n

Coordina FotoArt-CM: V\u00edctor A. de la Pe\u00f1a O\u00b4Shea, Instituto IMDEA Energ\u00eda.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Autor: Jos\u00e9 Carlos Conesa Cegarra (Instituto de Cat\u00e1lisis y Petroleoqu\u00edmica, CSIC) La Wikipedia define as\u00ed \u201csolar fuel\u201d (que se puede traducir al castellano como combustible solar): \u201cA solar fuel is a synthetic chemical fuel produced from solar energy\u201d. La idea de obtener combustibles solares por alg\u00fan procedimiento es muy antigua. Ya el catedr\u00e1tico de la Universidad de Bolonia Giacomo Ciamician, en un conocido art\u00edculo (\u201cThe Photochemistry of the Future\u201c, Science. New Series 36, 1912, 385-394) terminaba diciendo \u201cSo far, human civilization has made use almost exclusively of fossil solar energy. Would it not be advantageous to make better use of\u2026<\/p>\n","protected":false},"author":29,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"ngg_post_thumbnail":0},"categories":[1],"tags":[],"blocksy_meta":{"styles_descriptor":{"styles":{"desktop":"","tablet":"","mobile":""},"google_fonts":[],"version":4}},"aioseo_notices":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/134608"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/users\/29"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=134608"}],"version-history":[{"count":6,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/134608\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":134623,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/134608\/revisions\/134623"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=134608"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=134608"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=134608"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}