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Luz solar simulada alimenta una célula solar que convierte el CO2 atmosférico directamente en sintegas. Fuente: UIC.
Investigadores de la Universidad de Illinois en Chicago (UIC, EE.UU.) han diseñado una célula solar que convierte de forma barata y eficiente el dióxido de carbono atmosférico directamente en combustible de hidrocarburo utilizable, utilizando sólo la luz del sol para producir energía.
El hallazgo se publica en Science y fue financiado por la National Science Foundation y el Departamento de Energía de los EE.UU. Se ha presentado una solicitud de patente provisional.
A diferencia de las células solares convencionales, que convierten la luz solar en electricidad que debe almacenarse en baterías pesadas, el nuevo dispositivo hace esencialmente el trabajo de las plantas, convirtiendo dióxido de carbono atmosférico en combustible, y solucionando dos problemas cruciales a la vez. Una granja solar de esas "hojas artificiales" podría eliminar cantidades significativas de carbono de la atmósfera y producir combustible de alta densidad energética de forma eficiente.
"La nueva célula solar no es fotovoltaica: es fotosintética", dice Amin Salehi-Khojin, profesor asistente de ingeniería mecánica e industrial y autor principal del estudio, en la información de la UIC.
"En lugar de producir energía en una insostenible ruta unidireccional desde los combustibles fósiles hasta el gas de efecto invernadero, ahora podemos invertir el proceso y reciclar el carbono atmosférico en combustible usando luz solar", dice.
Mientras que las plantas producen combustible en forma de azúcar, la hoja artificial suministra gas de síntesis o sintegas, una mezcla de gas de hidrógeno y monóxido de carbono. El gas de síntesis se puede quemar directamente, o convertirse en combustible diésel u otros combustibles de hidrocarburos.
La capacidad de convertir el CO2 en combustible a un coste comparable al de gasolina haría que los combustibles fósiles quedaran obsoletos.
Las reacciones químicas que convierten el CO2 en formas consumibles de carbono se llaman reacciones de reducción, lo contrario a la oxidación o combustión. Los ingenieros han estado explorando diferentes catalizadores para impulsar la reducción de CO2, pero hasta ahora estas reacciones han sido ineficientes y se basaban en metales preciosos caros como la plata, dice Salehi-Khojin.
"Lo que necesitábamos era una nueva familia de productos químicos con propiedades extraordinarias", señala.
Salehi-Khojin y sus compañeros de trabajo se centraron en una familia de compuestos nanoestructurados llamados dicalcogenuros de metales de transición -o TMDCs-, que usaron como catalizadores, con un líquido iónico no convencional que hizo el papel de electrolito, dentro de una célula electroquímica de dos compartimentos y tres electrodos.
El hallazgo se publica en Science y fue financiado por la National Science Foundation y el Departamento de Energía de los EE.UU. Se ha presentado una solicitud de patente provisional.
A diferencia de las células solares convencionales, que convierten la luz solar en electricidad que debe almacenarse en baterías pesadas, el nuevo dispositivo hace esencialmente el trabajo de las plantas, convirtiendo dióxido de carbono atmosférico en combustible, y solucionando dos problemas cruciales a la vez. Una granja solar de esas "hojas artificiales" podría eliminar cantidades significativas de carbono de la atmósfera y producir combustible de alta densidad energética de forma eficiente.
"La nueva célula solar no es fotovoltaica: es fotosintética", dice Amin Salehi-Khojin, profesor asistente de ingeniería mecánica e industrial y autor principal del estudio, en la información de la UIC.
"En lugar de producir energía en una insostenible ruta unidireccional desde los combustibles fósiles hasta el gas de efecto invernadero, ahora podemos invertir el proceso y reciclar el carbono atmosférico en combustible usando luz solar", dice.
Mientras que las plantas producen combustible en forma de azúcar, la hoja artificial suministra gas de síntesis o sintegas, una mezcla de gas de hidrógeno y monóxido de carbono. El gas de síntesis se puede quemar directamente, o convertirse en combustible diésel u otros combustibles de hidrocarburos.
La capacidad de convertir el CO2 en combustible a un coste comparable al de gasolina haría que los combustibles fósiles quedaran obsoletos.
Las reacciones químicas que convierten el CO2 en formas consumibles de carbono se llaman reacciones de reducción, lo contrario a la oxidación o combustión. Los ingenieros han estado explorando diferentes catalizadores para impulsar la reducción de CO2, pero hasta ahora estas reacciones han sido ineficientes y se basaban en metales preciosos caros como la plata, dice Salehi-Khojin.
"Lo que necesitábamos era una nueva familia de productos químicos con propiedades extraordinarias", señala.
Salehi-Khojin y sus compañeros de trabajo se centraron en una familia de compuestos nanoestructurados llamados dicalcogenuros de metales de transición -o TMDCs-, que usaron como catalizadores, con un líquido iónico no convencional que hizo el papel de electrolito, dentro de una célula electroquímica de dos compartimentos y tres electrodos.
El catalizador
El mejor de los catalizadores estudiados resultaron ser el diselenuro de tungsteno en nanocopos. "El nuevo catalizador es más activo; más capaz de romper los enlaces químicos del dióxido de carbono", dice el investigador postdoctoral Mohammad Asadi, primer autor del artículo de Science.
De hecho, dice, el nuevo catalizador es 1.000 veces más rápido que los catalizadores de metales nobles -y alrededor de 20 veces más barato.
Otros investigadores han utilizado catalizadores TMDC para producir hidrógeno por otros medios, pero no por reducción de CO2. El catalizador no sobrevivía a la reacción, envenenándose y oxidándose. El gran avance es utilizar un fluido iónico denominado etil-metilimidazolio tetrafluoroborato, mezclado con agua al 50%.
"La combinación del agua y el líquido iónico crea un co-catalizador que preserva los sitios activos del catalizador bajo duras condiciones de reacción de reducción", dice Salehi-Khojin.
Cuando luz de 100 vatios por metro cuadrado -en torno a la intensidad media que alcanza la superficie de la Tierra- da energía a la célula, hidrógeno y monóxido de carbono surgen en burbujas de gas desde el cátodo, mientras que se producen iones de oxígeno e hidrógeno libres en el ánodo.
"Los iones de hidrógeno se difunden a través de una membrana hacia el lado del cátodo, para participar en la reacción de reducción del dióxido de carbono", dice Asadi.
La tecnología debe ser adaptable, no sólo para su uso a gran escala, en parques solares, sino también para aplicaciones a pequeña escala, dice Salehi-Khojin. En el futuro, señala, puede resultar útil en Marte, cuya atmósfera está compuesta principalmente por dióxido de carbono, si se descubre también que el planeta tiene agua.
Hace un año, científicos de Harvard imitaron la fotosíntesis de las plantas diseñando una hoja artificial que transforma la energía solar en el combustible líquido isopropanol, gracias a una bacteria rediseñada metabólicamente. Conseguían una eficiencia del 1%, similar a la de las plantas.
El mejor de los catalizadores estudiados resultaron ser el diselenuro de tungsteno en nanocopos. "El nuevo catalizador es más activo; más capaz de romper los enlaces químicos del dióxido de carbono", dice el investigador postdoctoral Mohammad Asadi, primer autor del artículo de Science.
De hecho, dice, el nuevo catalizador es 1.000 veces más rápido que los catalizadores de metales nobles -y alrededor de 20 veces más barato.
Otros investigadores han utilizado catalizadores TMDC para producir hidrógeno por otros medios, pero no por reducción de CO2. El catalizador no sobrevivía a la reacción, envenenándose y oxidándose. El gran avance es utilizar un fluido iónico denominado etil-metilimidazolio tetrafluoroborato, mezclado con agua al 50%.
"La combinación del agua y el líquido iónico crea un co-catalizador que preserva los sitios activos del catalizador bajo duras condiciones de reacción de reducción", dice Salehi-Khojin.
Cuando luz de 100 vatios por metro cuadrado -en torno a la intensidad media que alcanza la superficie de la Tierra- da energía a la célula, hidrógeno y monóxido de carbono surgen en burbujas de gas desde el cátodo, mientras que se producen iones de oxígeno e hidrógeno libres en el ánodo.
"Los iones de hidrógeno se difunden a través de una membrana hacia el lado del cátodo, para participar en la reacción de reducción del dióxido de carbono", dice Asadi.
La tecnología debe ser adaptable, no sólo para su uso a gran escala, en parques solares, sino también para aplicaciones a pequeña escala, dice Salehi-Khojin. En el futuro, señala, puede resultar útil en Marte, cuya atmósfera está compuesta principalmente por dióxido de carbono, si se descubre también que el planeta tiene agua.
Hace un año, científicos de Harvard imitaron la fotosíntesis de las plantas diseñando una hoja artificial que transforma la energía solar en el combustible líquido isopropanol, gracias a una bacteria rediseñada metabólicamente. Conseguían una eficiencia del 1%, similar a la de las plantas.
Referencia bibliográfica:
Mohammad Asadi et al.: Nanostructured transition metal dichalcogenide electrocatalysts for CO2 reduction in ionic liquid. Science (2016). DOI: 10.1126/science.aaf4767.
Mohammad Asadi et al.: Nanostructured transition metal dichalcogenide electrocatalysts for CO2 reduction in ionic liquid. Science (2016). DOI: 10.1126/science.aaf4767.
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Nuevo avance permitirá convertir el agua en combustible
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