Fotosíntesis artificial - Artificial photosynthesis

La fotosíntesis artificial es un proceso químico que biomimetiza el proceso natural de fotosíntesis para convertir la luz solar , el agua y el dióxido de carbono en carbohidratos y oxígeno . El término fotosíntesis artificial se usa comúnmente para referirse a cualquier esquema para capturar y almacenar la energía de la luz solar en los enlaces químicos de un combustible (un combustible solar ). La división del agua fotocatalítica convierte el agua en hidrógeno y oxígeno y es un tema de investigación importante de la fotosíntesis artificial. La reducción de dióxido de carbono impulsada por la luz es otro proceso estudiado que replica la fijación natural del carbono .

La investigación de este tema incluye el diseño y montaje de dispositivos para la producción directa de combustibles solares, la fotoelectroquímica y su aplicación en pilas de combustible, y la ingeniería de enzimas y microorganismos fotoautótrofos para la producción de biocombustibles microbianos y biohidrógeno a partir de la luz solar.

Visión general

La reacción fotosintética se puede dividir en dos semirreacciones de oxidación y reducción , las cuales son esenciales para producir combustible . En la fotosíntesis de las plantas, las moléculas de agua se fotooxidan para liberar oxígeno y protones. La segunda fase de la fotosíntesis de las plantas (también conocida como ciclo de Calvin-Benson ) es una reacción independiente de la luz que convierte el dióxido de carbono en glucosa (combustible). Los investigadores de la fotosíntesis artificial están desarrollando fotocatalizadores que pueden realizar ambas reacciones. Además, los protones resultantes de la división del agua se pueden utilizar para la producción de hidrógeno. Estos catalizadores deben poder reaccionar rápidamente y absorber un gran porcentaje de los fotones solares incidentes .

Fotosíntesis natural (izquierda) versus artificial (derecha)

Mientras que la energía fotovoltaica puede proporcionar energía directamente de la luz solar, la ineficiencia de la producción de combustible a partir de la electricidad fotovoltaica (proceso indirecto) y el hecho de que la luz solar no sea constante a lo largo del día establece un límite a su uso. Una forma de utilizar la fotosíntesis natural es para la producción de un biocombustible , que es un proceso indirecto que adolece de una baja eficiencia de conversión de energía (debido a la baja eficiencia de la fotosíntesis en la conversión de la luz solar en biomasa), el costo de recolección y transporte del combustible, y conflictos debido a la creciente necesidad de masa de tierra para la producción de alimentos. El propósito de la fotosíntesis artificial es producir un combustible a partir de la luz solar que se pueda almacenar convenientemente y utilizar cuando la luz solar no está disponible, mediante procesos directos, es decir, para producir un combustible solar . Con el desarrollo de catalizadores capaces de reproducir la mayor parte de la fotosíntesis, el agua y la luz solar serían, en última instancia, las únicas fuentes necesarias para la producción de energía limpia. El único subproducto sería el oxígeno, y la producción de un combustible solar tiene el potencial de ser más barata que la gasolina.

Un proceso para la creación de un suministro de energía limpia y asequible es el desarrollo de la división fotocatalítica del agua bajo la luz solar. Este método de producción de hidrógeno sostenible es un objetivo importante para el desarrollo de sistemas de energía alternativos . También se prevé que sea una de las formas más eficientes, si no la más, de obtener hidrógeno a partir del agua. La conversión de energía solar en hidrógeno mediante un proceso de separación de agua asistido por catalizadores fotosemiconductores es una de las tecnologías más prometedoras en desarrollo. Este proceso tiene el potencial de generar grandes cantidades de hidrógeno de una manera ecológicamente racional. La conversión de la energía solar en un combustible limpio (H 2 ) en condiciones ambiente es uno de los mayores retos científicos en el siglo XXI.

En general, se reconocen dos métodos para la construcción de celdas de combustible solar para la producción de hidrógeno:

  • Un sistema homogéneo es aquel en el que los catalizadores no están compartimentados , es decir, los componentes están presentes en el mismo compartimento. Esto significa que el hidrógeno y el oxígeno se producen en el mismo lugar. Esto puede ser un inconveniente, ya que componen una mezcla explosiva que exige la separación del producto gaseoso. Además, todos los componentes deben estar activos aproximadamente en las mismas condiciones (p. Ej., PH ).
  • Un sistema heterogéneo tiene dos electrodos separados , un ánodo y un cátodo, lo que hace posible la separación de la producción de oxígeno e hidrógeno. Además, no es necesario que los diferentes componentes funcionen en las mismas condiciones. Sin embargo, la mayor complejidad de estos sistemas los hace más difíciles de desarrollar y más costosos.

Otra área de investigación dentro de la fotosíntesis artificial es la selección y manipulación de microorganismos fotosintéticos, a saber, microalgas verdes y cianobacterias , para la producción de combustibles solares. Muchas cepas pueden producir hidrógeno de forma natural y los científicos están trabajando para mejorarlas. Los biocombustibles de algas como el butanol y el metanol se producen tanto a escala comercial como de laboratorio. Este método se ha beneficiado del desarrollo de la biología sintética , que también está siendo explorada por el Instituto J. Craig Venter para producir un organismo sintético capaz de producir biocombustible. En 2017, se desarrolló un proceso eficiente para producir ácido acético a partir de dióxido de carbono utilizando "bacterias cyborg".

Historia

La fotosíntesis artificial fue anticipada por primera vez por el químico italiano Giacomo Ciamician durante 1912. En una conferencia que luego se publicó en Science , propuso un cambio del uso de combustibles fósiles a la energía radiante proporcionada por el sol y captada por dispositivos fotoquímicos técnicos. En este cambio vio la posibilidad de disminuir la diferencia entre el norte rico de Europa y el sur pobre y aventuró a suponer que este cambio del carbón a la energía solar "no sería perjudicial para el progreso y la felicidad humana".

A finales de la década de 1960, Akira Fujishima descubrió las propiedades fotocatalíticas del dióxido de titanio , el llamado efecto Honda-Fujishima, que podría utilizarse para la hidrólisis .

La división de agua de luz visible con un dispositivo semiconductor multifunción de una pieza (frente a la luz ultravioleta con semiconductores de dióxido de titanio) fue demostrada y patentada por primera vez por William Ayers en Energy Conversion Devices durante 1983. Este grupo demostró la fotólisis del agua en hidrógeno y oxígeno, ahora conocido como una "hoja artificial" con una lámina multifuncional de silicio amorfo de película fina de bajo coste sumergida directamente en agua. El hidrógeno se desprendió en la superficie frontal de silicio amorfo decorada con varios catalizadores, mientras que el oxígeno se desprendió del sustrato metálico del lado posterior, lo que también eliminó el riesgo de desprendimiento de gas de hidrógeno / oxígeno mixto. Una membrana de polímero encima del dispositivo sumergido proporcionó un camino para el transporte de protones. El mayor fotovoltaje disponible en el dispositivo de película fina de múltiples uniones con luz visible fue un avance importante con respecto a los intentos previos de fotólisis con UV u otros fotoelectrodos semiconductores de unión simple. La patente del grupo también enumera varias otras composiciones de semiconductores de múltiples funciones además del silicio amorfo.

El Consorcio Sueco para la Fotosíntesis Artificial, el primero de su tipo, se estableció en 1994 como una colaboración entre grupos de tres universidades diferentes, Lund , Uppsala y Estocolmo , actualmente activo alrededor de Lund y los Laboratorios Ångström en Uppsala. El consorcio se construyó con un enfoque multidisciplinario para enfocarse en aprender de la fotosíntesis natural y aplicar este conocimiento en sistemas biomiméticos.

La investigación de la fotosíntesis artificial está experimentando un auge a principios del siglo XXI. Durante el año 2000, los investigadores de la Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) dieron a conocer su intención de enfatizar la captura de dióxido de carbono y su conversión en hidrocarburos. En 2003, el Laboratorio Nacional de Brookhaven anunció el descubrimiento de una parte intermedia importante de la reducción de CO 2 a CO (la reacción de reducción de dióxido de carbono más simple posible), que podría resultar en mejores catalizadores.

Una de las desventajas de los sistemas artificiales para catalizadores de disociación de agua es su dependencia general de elementos escasos y costosos, como el rutenio o el renio. Durante 2008, con la financiación de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos , el químico del MIT y director del Proyecto de Revolución Solar Daniel G. Nocera y el becario postdoctoral Matthew Kanan intentaron sortear este problema utilizando un catalizador que contenía los más baratos y abundantes. elementos cobalto y fosfato. El catalizador fue capaz de dividir el agua en oxígeno y protones utilizando la luz solar, y potencialmente podría acoplarse a un catalizador productor de gas hidrógeno como el platino. Además, aunque el catalizador se descompuso durante la catálisis, podría autorrepararse. Este diseño de catalizador experimental fue considerado una mejora importante por muchos investigadores.

Mientras que el CO es el principal producto de reducción del CO 2 , normalmente se desean compuestos de carbono más complejos. Durante 2008, Andrew B. Bocarsly informó sobre la conversión directa de dióxido de carbono y agua en metanol utilizando energía solar en una célula fotoquímica muy eficiente.

Si bien Nocera y sus colaboradores lograron la división del agua en oxígeno y protones, es deseable un proceso impulsado por la luz para producir hidrógeno. Durante 2009, el Instituto Leibniz de Catálisis informó complejos de carbonilo de hierro de bajo costo capaces de hacer precisamente eso. Durante el mismo año, los investigadores de la Universidad de East Anglia también utilizaron compuestos de carbonilo de hierro para lograr la producción de hidrógeno fotoelectroquímico con una eficiencia del 60%, esta vez utilizando un electrodo de oro cubierto con capas de fosfuro de indio al que se unieron los complejos de hierro. Ambos procesos utilizaron un enfoque molecular, donde las nanopartículas discretas son responsables de la catálisis.

Durante 2009, F. del Valle y K. Domen mostraron el efecto del tratamiento térmico en atmósfera cerrada utilizando Cd
1- x
Zn
X
S
fotocatalizadores. CD
1- x
Zn
X
La
solución sólida S reporta una alta actividad en la producción de hidrógeno a partir del agua que se divide bajo la irradiación de la luz solar. Un enfoque mixto heterogéneo / molecular realizado por investigadores de la Universidad de California, Santa Cruz , durante 2010, utilizando nanopartículas y nanocables de dióxido de titanio sensibilizados con puntos cuánticos de seleniuro de cadmio y dopados con nitrógeno , también produjo hidrógeno fotoproducido.

La fotosíntesis artificial siguió siendo un campo académico durante muchos años. Sin embargo, a principios de 2009, se informó que Mitsubishi Chemical Holdings estaba desarrollando su propia investigación de fotosíntesis artificial utilizando luz solar, agua y dióxido de carbono para "crear los bloques de construcción de carbono a partir de los cuales se pueden sintetizar resinas, plásticos y fibras". Esto se confirmó con el establecimiento del Instituto KAITEKI a finales de ese año, con la reducción del dióxido de carbono a través de la fotosíntesis artificial como uno de los principales objetivos.

Durante 2010, el Departamento de Energía de los Estados Unidos estableció, como uno de sus Centros de Innovación Energética , el Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial . La misión de JCAP es encontrar un método rentable para producir combustibles utilizando solo luz solar, agua y dióxido de carbono como insumos. JCAP está gestionado por un equipo del Instituto de Tecnología de California (Caltech), dirigido por el profesor Nathan Lewis y reúne a más de 120 científicos e ingenieros de Caltech y su socio principal, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . JCAP también se basa en la experiencia y las capacidades de socios clave de la Universidad de Stanford , la Universidad de California en Berkeley , UCSB , la Universidad de California, Irvine y la Universidad de California en San Diego , y el Acelerador lineal de Stanford . Además, JCAP sirve como un centro central para otros equipos de investigación de combustibles solares en los Estados Unidos, incluido el 20 DOE Energy Frontier Research Center. El programa tiene un presupuesto de $ 122 millones durante cinco años, sujeto a la asignación del Congreso.

También durante 2010, un equipo dirigido por el profesor David Wendell de la Universidad de Cincinnati demostró con éxito la fotosíntesis en una construcción artificial que consta de enzimas suspendidas en una carcasa de espuma.

Durante 2011, Daniel Nocera y su equipo de investigación anunciaron la creación de la primera hoja artificial práctica. En un discurso en la 241ª Reunión Nacional de la Sociedad Química Estadounidense , Nocera describió una celda solar avanzada del tamaño de una carta de póquer capaz de dividir el agua en oxígeno e hidrógeno, aproximadamente diez veces más eficiente que la fotosíntesis natural. La celda está hecha principalmente de materiales económicos que están ampliamente disponibles, funciona en condiciones simples y muestra una mayor estabilidad con respecto a los catalizadores anteriores: en estudios de laboratorio, los autores demostraron que un prototipo de hoja artificial podría funcionar continuamente durante al menos cuarenta y cinco horas sin un caída en la actividad. En mayo de 2012, Sun Catalytix, la startup basada en la investigación de Nocera, declaró que no ampliará el prototipo ya que el dispositivo ofrece pocos ahorros sobre otras formas de producir hidrógeno a partir de la luz solar. (Sun Catalytix terminó más tarde alejándose del combustible solar para desarrollar baterías para almacenar energía para la red eléctrica, y Lockheed compró la compañía por una cantidad no revelada en 2014) Los principales expertos en el campo han apoyado una propuesta para un Proyecto Global sobre Artificial La fotosíntesis como una solución combinada de seguridad energética y cambio climático. Se han celebrado conferencias sobre este tema en Lord Howe Island durante 2011, en Chicheley Hall en el Reino Unido en 2014 y en Canberra y Lord Howe Island durante 2016.

La investigación actual

En términos energéticos, la fotosíntesis natural se puede dividir en tres pasos:

Un conjunto de tríada, con un fotosensibilizador (P) unido en tándem a un catalizador de oxidación de agua (D) y un catalizador de desprendimiento de hidrógeno (A). Los electrones fluyen de D a A cuando ocurre la catálisis.

Utilizando enfoques biomiméticos , la fotosíntesis artificial intenta construir sistemas que realicen el mismo tipo de procesos. Idealmente, un conjunto de tríadas podría oxidar el agua con un catalizador, reducir los protones con otro y tener una molécula fotosensibilizadora para alimentar todo el sistema. Uno de los diseños más simples es donde el fotosensibilizador está conectado en tándem entre un catalizador de oxidación de agua y un catalizador que genera hidrógeno:

  • El fotosensibilizador transfiere electrones al catalizador de hidrógeno cuando lo golpea la luz, y se oxida en el proceso.
  • Esto impulsa al catalizador de división de agua a donar electrones al fotosensibilizador. En un ensamblaje de tríada, dicho catalizador a menudo se denomina donante. El donante oxidado puede realizar la oxidación del agua.

El estado de la tríada con un catalizador oxidado en un extremo y el segundo reducido en el otro extremo de la tríada se denomina separación de carga y es una fuerza impulsora para que se produzca una mayor transferencia de electrones y, en consecuencia, la catálisis. Los diferentes componentes pueden ensamblarse de diversas formas, tales como complejos supramoleculares , células compartimentadas o moléculas unidas covalentemente de forma lineal .

La investigación para encontrar catalizadores que puedan convertir agua, dióxido de carbono y luz solar en carbohidratos o hidrógeno es un campo activo actual. Al estudiar el complejo natural de evolución de oxígeno (OEC), los investigadores han desarrollado catalizadores como el "dímero azul" para imitar su función. Se están desarrollando células fotoelectroquímicas que reducen el dióxido de carbono en monóxido de carbono (CO), ácido fórmico (HCOOH) y metanol (CH 3 OH). Sin embargo, estos catalizadores siguen siendo muy ineficaces.

Catalizadores de hidrógeno

El hidrógeno es el combustible solar más simple de sintetizar, ya que solo implica la transferencia de dos electrones a dos protones. Sin embargo, debe hacerse paso a paso, con formación de un anión hidruro intermedio :

2 e - + 2 H + ⇌ H + + H - ⇌ H 2

Los catalizadores de conversión de protón a hidrógeno presentes en la naturaleza son hidrogenasas . Estas son enzimas que pueden reducir los protones a hidrógeno molecular u oxidar el hidrógeno a protones y electrones. Los estudios espectroscópicos y cristalográficos que abarcan varias décadas han dado como resultado una buena comprensión tanto de la estructura como del mecanismo de la catálisis de hidrogenasa. Con esta información, se han sintetizado varias moléculas que imitan la estructura del sitio activo de las hidrogenasas de níquel-hierro y hierro-hierro. Otros catalizadores no son imitadores estructurales de la hidrogenasa sino más bien funcionales. Los catalizadores sintetizados incluyen modelos estructurales de grupos H, un fotocatalizador de dirodio y catalizadores de cobalto .

Catalizadores oxidantes de agua

La oxidación del agua es una reacción química más compleja que la reducción de protones. En la naturaleza, el complejo generador de oxígeno realiza esta reacción acumulando equivalentes reductores (electrones) en un grupo de manganeso-calcio dentro del fotosistema II (PS II), y luego entregándolos a las moléculas de agua, con la producción resultante de oxígeno molecular y protones:

2 H 2 O → O 2 + 4 H + + 4e -

Sin un catalizador (natural o artificial), esta reacción es muy endotérmica, requiriendo altas temperaturas (al menos 2500 K).

La estructura exacta del complejo generador de oxígeno ha sido difícil de determinar experimentalmente. A partir de 2011, el modelo más detallado era de una estructura cristalina del fotosistema II con una resolución de 1,9 Å. El complejo es un grupo que contiene cuatro iones de manganeso y uno de calcio , pero se desconoce la ubicación exacta y el mecanismo de oxidación del agua dentro del grupo. No obstante, se han sintetizado complejos bioinspirados de manganeso y manganeso-calcio, como los racimos de tipo cubano [Mn 4 O 4 ] , algunos con actividad catalítica.

Algunos complejos de rutenio , como el "dímero azul" dinuclear con puente µ-oxo (el primero de su tipo en ser sintetizado), son capaces de oxidar el agua impulsada por la luz, gracias a que pueden formar estados de valencia alta . En este caso, el complejo de rutenio actúa como fotosensibilizador y catalizador. Estos complejos y otros catalizadores moleculares aún atraen a los investigadores en el campo, y tienen diferentes ventajas, como una estructura clara, un sitio activo y un mecanismo fácil de estudiar. Uno de los principales retos a superar es su estabilidad a corto plazo y su efectiva heterogeneización para aplicaciones en dispositivos de fotosíntesis artificial.

Muchos óxidos de metal se han encontrado para tener actividad catalítica de oxidación del agua, incluyendo óxido de rutenio (IV) (RuO 2 ), iridio (IV) óxido (IRO 2 ), óxidos de cobalto (incluyendo níquel - dopado Co 3 O 4 ), óxido de manganeso ( incluyendo capas de MnO 2 (birnessita), Mn 2 O 3 ) y una mezcla de Mn 2 O 3 con CaMn 2 O 4 . Los óxidos son más fáciles de obtener que los catalizadores moleculares, especialmente los de metales de transición relativamente abundantes (cobalto y manganeso), pero adolecen de una baja frecuencia de rotación y de propiedades de transferencia lenta de electrones , y su mecanismo de acción es difícil de descifrar y, por tanto, de ajustar.

Recientemente , se ha demostrado que los materiales a base de Marco Metal-Orgánico (MOF) son un candidato muy prometedor para la oxidación del agua con metales de transición de primera fila. Se prevé que la estabilidad y la capacidad de ajuste de este sistema sean muy beneficiosas para el desarrollo futuro.

Fotosensibilizadores

Estructura de [Ru (bipy) 3 ] 2+ , un fotosensibilizador ampliamente utilizado.

La naturaleza utiliza pigmentos , principalmente clorofilas , para absorber una amplia parte del espectro visible. Los sistemas artificiales pueden usar un tipo de pigmento con un amplio rango de absorción o combinar varios pigmentos para el mismo propósito.

Los complejos de polipiridina de rutenio , en particular tris (bipiridina) rutenio (II) y sus derivados, se han utilizado ampliamente en la fotoproducción de hidrógeno debido a su eficiente absorción de luz visible y al estado de excitación de transferencia de carga de metal a ligando consecuente de larga duración , que hace que el Complejos agentes reductores fuertes. Otros complejos que contienen metales nobles utilizados incluyen los que contienen platino , rodio e iridio .

Los complejos orgánicos exentos de metales también se han empleado con éxito como fotosensibilizadores. Los ejemplos incluyen eosina Y y rosa de bengala . Los anillos de pirrol, como las porfirinas, también se han utilizado para recubrir nanomateriales o semiconductores para catálisis tanto homogénea como heterogénea.

Como parte de los esfuerzos de investigación actuales, se están estudiando sistemas de antenas fotónicas artificiales para determinar formas eficientes y sostenibles de recolectar luz para la fotosíntesis artificial. Gion Calzaferri (2009) describe una de esas antenas que usa zeolita L como hospedante de tintes orgánicos, para imitar los sistemas de recolección de luz de las plantas. La antena se fabrica insertando moléculas de colorante en los canales de zeolita L. El proceso de inserción, que tiene lugar al vacío y en condiciones de alta temperatura, es posible gracias al movimiento vibratorio cooperativo de la estructura de zeolita y de las moléculas de colorante. El material resultante puede interconectarse con un dispositivo externo a través de una llave de paso intermedia.

Catalizadores de reducción de dióxido de carbono

En la naturaleza, las plantas verdes realizan la fijación de carbono utilizando la enzima RuBisCO como parte del ciclo de Calvin . RuBisCO es un catalizador bastante lento en comparación con la gran mayoría de otras enzimas, incorporando solo unas pocas moléculas de dióxido de carbono en ribulosa-1,5-bisfosfato por minuto, pero lo hace a presión atmosférica y en condiciones biológicas suaves. El producto resultante se reduce aún más y finalmente se usa en la síntesis de glucosa , que a su vez es un precursor de carbohidratos más complejos , como la celulosa y el almidón . El proceso consume energía en forma de ATP y NADPH .

La reducción de CO 2 artificial para la producción de combustible tiene como objetivo principal producir compuestos de carbono reducidos a partir del CO 2 atmosférico . Se han desarrollado algunos complejos de polifosfina de metales de transición para este fin; sin embargo, por lo general requieren una concentración previa de CO 2 antes de su uso, y aún no se han desarrollado portadores (moléculas que fijarían CO 2 ) que sean estables en condiciones aeróbicas y capaces de concentrar CO 2 en concentraciones atmosféricas. El producto más simple de la reducción de CO 2 es el monóxido de carbono (CO), pero para el desarrollo de combustible, se necesita una mayor reducción, y un paso clave que también necesita un mayor desarrollo es la transferencia de aniones hidruro al CO.

Producción fotobiológica de combustibles

Algunos microorganismos fotoautótrofos pueden, en determinadas condiciones, producir hidrógeno. Los microorganismos fijadores de nitrógeno, como las cianobacterias filamentosas , poseen la enzima nitrogenasa , responsable de la conversión del N 2 atmosférico en amoníaco ; El hidrógeno molecular es un subproducto de esta reacción, y muchas veces no es liberado por el microorganismo, sino absorbido por una hidrogenasa oxidante de hidrógeno (captación). Una forma de obligar a estos organismos a producir hidrógeno es entonces aniquilar la actividad de la hidrogenasa de captación. Esto se ha hecho en una cepa de Nostoc punctiforme : uno de los genes estructurales de la hidrogenasa de captación de NiFe se inactivó mediante mutagénesis de inserción , y la cepa mutante mostró desprendimiento de hidrógeno bajo iluminación.

Muchos de estos fotoautótrofos también tienen hidrogenasas bidireccionales, que pueden producir hidrógeno en determinadas condiciones. Sin embargo, otras vías metabólicas que demandan energía pueden competir con los electrones necesarios para la reducción de protones, disminuyendo la eficiencia del proceso general; además, estas hidrogenasas son muy sensibles al oxígeno.

También se han producido varios biocombustibles a base de carbono utilizando cianobacterias, como el 1-butanol.

Se prevé que las técnicas de biología sintética sean útiles para este tema. La ingeniería microbiológica y enzimática tiene el potencial de mejorar la eficiencia y la robustez de las enzimas, así como de construir nuevas vías metabólicas productoras de biocombustibles en fotoautótrofos que antes carecían de ellas, o mejorar las existentes. Otro tema en desarrollo es la optimización de fotobiorreactores para aplicaciones comerciales.

Técnicas de investigación empleadas

La investigación en fotosíntesis artificial es necesariamente un tema multidisciplinario, que requiere una multitud de conocimientos diferentes. Algunas técnicas empleadas para fabricar e investigar catalizadores y células solares incluyen:

Ventajas, desventajas y eficiencia

Las ventajas de la producción de combustible solar mediante la fotosíntesis artificial incluyen:

  • La energía solar se puede convertir y almacenar inmediatamente. En las células fotovoltaicas , la luz solar se convierte en electricidad y luego se convierte nuevamente en energía química para su almacenamiento, con una pérdida necesaria de energía asociada con la segunda conversión.
  • Los subproductos de estas reacciones son respetuosos con el medio ambiente. El combustible fotosintetizado artificialmente sería una fuente de energía neutra en carbono , que podría usarse para el transporte o los hogares.

Las desventajas incluyen:

  • Los materiales utilizados para la fotosíntesis artificial a menudo se corroen en el agua, por lo que pueden ser menos estables que los fotovoltaicos durante largos períodos de tiempo. La mayoría de los catalizadores de hidrógeno son muy sensibles al oxígeno y se inactivan o degradan en su presencia; Además, el fotodaño puede ocurrir con el tiempo.
  • El costo no es (todavía) lo suficientemente ventajoso como para competir con los combustibles fósiles como fuente de energía comercialmente viable.

Una preocupación que generalmente se aborda en el diseño de catalizadores es la eficiencia, en particular, la cantidad de luz incidente que se puede usar en un sistema en la práctica. Esto es comparable con la eficiencia fotosintética , donde se mide la conversión de energía de luz a química. Los organismos fotosintéticos pueden recolectar alrededor del 50% de la radiación solar incidente, sin embargo, el límite teórico de la eficiencia fotosintética es 4.6 y 6.0% para las plantas C3 y C4 respectivamente. En realidad, la eficiencia de la fotosíntesis es mucho menor y suele estar por debajo del 1%, con algunas excepciones como la caña de azúcar en clima tropical. Por el contrario, la eficiencia más alta reportada para prototipos de laboratorio de fotosíntesis artificial es del 22,4%. Sin embargo, las plantas son eficientes en el uso de CO 2 en concentraciones atmosféricas, algo que los catalizadores artificiales aún no pueden realizar.

Ver también

Referencias

enlaces externos