El crecimiento económico mundial viene con una creciente demanda de energía, pero aumentar la producción de energía puede ser un desafío. Recientemente, los científicos han logrado una eficiencia récord para la conversión de energía solar a combustible, y ahora quieren incorporar la maquinaria de la fotosíntesis para impulsarla más. Los investigadores presentarán sus resultados hoy en la Reunión y Exposición Virtual de Otoño de 2020 de la American Chemical Society (ACS).

"Queremos fabricar un sistema fotocatalítico que utilice la luz solar para impulsar reacciones químicas de importancia ambiental, "dice Lilac Amirav, Doctor., investigador principal del proyecto.

Específicamente, su grupo en el Instituto de Tecnología de Israel está diseñando un fotocatalizador que puede descomponer el agua en combustible de hidrógeno. "Cuando colocamos nuestras nanopartículas en forma de varilla en agua y las iluminamos, generan cargas eléctricas positivas y negativas, "Dice Amirav." Las moléculas de agua se rompen; las cargas negativas producen hidrógeno (reducción), y las cargas positivas producen oxígeno (oxidación). Las dos reacciones, involucrando las cargas positivas y negativas, debe tener lugar simultáneamente. Sin aprovechar las cargas positivas, las cargas negativas no se pueden encaminar para producir el hidrógeno deseado ".

Si las cargas positivas y negativas, que se atraen el uno al otro, lograr recombinar, se anulan, y la energía se pierde. Entonces, para asegurarse de que las cargas estén lo suficientemente separadas, el equipo ha construido heteroestructuras únicas compuestas por una combinación de diferentes semiconductores, junto con catalizadores metálicos y de óxidos metálicos. Usando un sistema modelo, estudiaron las reacciones de reducción y oxidación por separado y alteraron la heteroestructura para optimizar la producción de combustible.

En 2016, El equipo diseñó una heteroestructura con un punto cuántico esférico de seleniuro de cadmio incrustado dentro de una pieza en forma de varilla de sulfuro de cadmio. Se ubicó una partícula metálica de platino en la punta. La partícula de seleniuro de cadmio atrajo cargas positivas, mientras que las cargas negativas se acumulan en la punta. "Al ajustar el tamaño del punto cuántico y la longitud de la varilla, así como otros parámetros, logramos una conversión del 100% de la luz solar en hidrógeno a partir de la reducción del agua, ", Dice Amirav. Una sola nanopartícula de fotocatalizador puede producir 360, 000 moléculas de hidrógeno por hora, ella nota.

El grupo publicó sus resultados en la revista ACS Nano letras . Pero en estos experimentos, estudiaron solo la mitad de la reacción (la reducción). Para un correcto funcionamiento, el sistema fotocatalítico debe soportar reacciones tanto de reducción como de oxidación. "Todavía no convertíamos la energía solar en combustible, ", Dice Amirav." Todavía necesitábamos una reacción de oxidación que continuamente proporcionara electrones al punto cuántico ". La reacción de oxidación del agua ocurre en un proceso de varios pasos, y como resultado sigue siendo un desafío importante. Además, sus subproductos parecen comprometer la estabilidad del semiconductor.

Junto a colaboradores, el grupo exploró un nuevo enfoque, buscando diferentes compuestos que pudieran oxidarse en lugar de agua, lo que los llevó a la bencilamina. Los investigadores descubrieron que podían producir hidrógeno a partir del agua, al mismo tiempo que transforma la bencilamina en benzaldehído. "Con esta investigación, hemos transformado el proceso de fotocatálisis a fotosíntesis, es decir, conversión genuina de energía solar en combustible, ", Dice Amirav. El sistema fotocatalítico realiza una verdadera conversión de la energía solar en enlaces químicos almacenables, con un máximo de 4.2% de eficiencia de conversión de energía solar a química. "Esta cifra establece un nuevo récord mundial en el campo de la fotocatálisis, y duplica el récord anterior, ", señala." El Departamento de Energía de Estados Unidos definió el 5-10% como el 'umbral de viabilidad práctica' para generar hidrógeno a través de la fotocatálisis. Por eso, estamos a las puertas de una conversión de energía solar a hidrógeno económicamente viable ".

Estos impresionantes resultados han motivado a los investigadores a ver si existen otros compuestos con altas conversiones de energía solar a química. Para hacerlo el equipo utiliza inteligencia artificial. A través de una colaboración, los investigadores están desarrollando un algoritmo para buscar estructuras químicas en busca de un compuesto productor de combustible ideal. Además, están investigando formas de mejorar su fotosistema, y una forma podría ser inspirarse en la naturaleza. Un complejo de proteínas en las membranas de las células vegetales que comprende los circuitos eléctricos de la fotosíntesis se combinó con éxito con nanopartículas. Amirav dice que este sistema artificial hasta ahora ha resultado fructífero, apoya la oxidación del agua mientras proporciona una fotocorriente que es 100 veces mayor que la producida por otros sistemas similares.