Fotosíntesis artificial para placas solares y producción de hidrógeno

Por Francisco R. Villatoro, el 12 agosto, 2010. Categoría(s): Biología • Bioquímica • Ciencia • Science ✎ 2

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El futuro de la energía pasa por el hidrógeno. La energía solar debería ser la mejor manera de producir hidrógeno. Para ello hay que implementar una fotosíntesis artificial en células solares. En el congreso de la American Chemical Society (ACS) celebrado en agosto de 2009, un equipo de investigación afirmó haber logrado emular la fotosíntesis en una célula solar gracias a la incorporación de un nuevo catalizador. Por ahora, el proceso es muy ineficiente y no permite fabricar hidrógeno a un precio comercialmente rentable. Sin embargo, el australiano Gerhard Swiegers, miembro del equipo investigador, cree que en unos años dicha eficiencia será mejorada enormemente. Nos lo contó hace un año Robert F. Service, «New Trick for Splitting Water With Sunlight,» Science 325: 1200-1201, 4 September 2009. Quizás convenga que lo recordemos.

En la fotosíntesis las plantas usan la clorofila y otras moléculas para capturar la luz solar y separar el agua en oxígeno e iones de hidrógeno (protones) que la planta utiliza para generar energía química para su uso. Las plantas usan una molécula basada en manganeso como catalizador natural de esta reacción. Esta molécula es muy difícil de sintetizar ya que es muy difícil estabilizar sus átomos de manganeso en su estructura cúbica. El equipo investigador logró sintetizar dicho catalizador hace tres años impregnado en una membrana. Ahora han logrado integrarlo en una célula solar (dye-sensitized solar cell, DSSC). En estas células, la luz solar es captada por una molécula orgánica en la que se excita un electrón que se inyecta a una nanopartícula vecina de dióxido de titanio. Repitiendo este proceso se genera una corriente eléctrica. Este proceso puede utilizar para realizar una hidrólisis del agua si se añade un catalizador adicional, óxido de iridio, que utiliza los electrones excitados en la DSSC para dividir el agua. El gran problema de este procedimiento es que el iridio es un elemento raro y caro, y el catalizador necesita corriente eléctrica para llevar a cabo su tarea de hidrólisis.

La contribución de Swiegers, Dismukes y los investigadores dirigidos por Spiccia es utilizar un catalizador de manganeso en las DSSC para lograr la hidrólisis sin necesidad de corriente eléctrica adicional. El manganeso tiene la ventaja añadida de que es abundante, barato y no es tóxico. La instalación consiste en dos electrodos sumergidos en el agua, separados por una membrana de plástico que permite el paso de protones solo en una dirección. En el ánodo, la luz solar es absorbida por un medio de rutenio, que inyecta electrones excitados en las partículas vecinas de dióxido de titanio; de esta forma los electrones fluyen en el circuito externo. El catalizador de manganeso también absorbe la luz solar, toma los electrones de moléculas de agua y los transfiere a las moléculas orgánicas para restaurar su capacidad de captación de luz. Las moléculas de agua despojadas de electrones se disocian en oxígeno molecular y en protones (iones de hidrógeno). Los protones pasan a través de la membrana de plástico hacia el cátodo, donde se combinan con los electrones del circuito externo, produciendo hidrógeno molecular. La figura que abre esta entrada ilustra el proceso. 

Tratar de emular la fotosíntesis en una célula solar parece más complicado que tratar de aprovechar la fotosíntesis en bacterias y tratar de mejorar su eficiencia. Hacerlo por ingeniería genética (la aproximación de la biología de sistemas) se está estudiando desde muchos frentes, pero es difícil lograr mejoras en la eficiencia mucho mayores del 10%. Sin embargo, se pueden obtener mejoras más importantes gracias al acoplamiento de la actividad microbiana con la electricidad producida por células solares. Este enfoque ha sido presentado recientemente en el artículo técnico de Folusho Francis Ajayi, Kyoung-Yeol Kim, Kyu-Jung Chae, Mi-Jin Choi, In Seop Chang, In S. Kim, «Optimization studies of bio-hydrogen production in a coupled microbial electrolysis–dye sensitized solar cell system,» Photochemical & Photobiological Sciences 9: 349-456, 2010.

Se acopla un conjunto de células de hidrólisis basadas en microbios (MEC) con una célula solar sensibilizada con un tinte orgánico (DSSC) propio de la vía metabólica que utilicen los microbios. De esta forma se logra la producción de hidrógeno simultáneamente en todas los MEC cuando la célula solar (DSSC) recibe luz solar. El uso de un catalizador adecuado en el ánodo permite un incremento en la eficiencia para la producción de hidrógeno de los microbios entre un 42% y un 65%. Incluso una iluminación solar de baja intensidad permite que el sistema de producción hidrógeno funcione. Por ahora el problema es que una iluminación solar débil y una intensa conducen al mismo resultado. Ello indica que el sistema se debería poder mejorar mucho. Sobre todo para que una iluminación intensa mejore la producción de hidrógeno más que una débil. Aún así una mejora del 50% en la producción natural de hidrógeno por parte de los microbios es muy grande comparada con la que se obtienen con otros experimentos que no utilizan la inyección de electricidad adicional.



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