(Phys.org) - A raíz de la aleccionadora noticia de que el dióxido de carbono atmosférico se encuentra ahora en su nivel más alto en al menos tres millones de años, Se ha logrado un importante avance en la carrera por desarrollar fuentes de energía renovables neutrales en carbono. Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han informado sobre el primer nanosistema completamente integrado para la fotosíntesis artificial. Si bien "hoja artificial" es el término popular para dicho sistema, la clave de este éxito fue un "bosque artificial".

"Al igual que los cloroplastos de las plantas verdes que realizan la fotosíntesis, Nuestro sistema fotosintético artificial está compuesto por dos absorbedores de luz semiconductores, una capa interfacial para el transporte de cargas, y cocatalizadores separados espacialmente, "dice Peidong Yang, químico de la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab, quien dirigió esta investigación. "Para facilitar la división del agua solar en nuestro sistema, Sintetizamos heteroestructuras de nanocables en forma de árbol, formado por troncos de silicio y ramas de óxido de titanio. Visualmente, matrices de estas nanoestructuras se parecen mucho a un bosque artificial ".

Yang, quien también tiene nombramientos en el Departamento de Química y el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de California Berkeley, es el autor correspondiente de un artículo que describe esta investigación en la revista Nano letras . El artículo se titula "Un nanosistema totalmente integrado de nanocables semiconductores para la división solar directa del agua". Los coautores son Chong Liu, Jinyao Tang, Hao Ming Chen y Bin Liu.

Las tecnologías solares son las soluciones ideales para la energía renovable neutra en carbono:hay suficiente energía en una hora de luz solar global para satisfacer todas las necesidades humanas durante un año. Fotosíntesis artificial, en el que la energía solar se convierte directamente en combustibles químicos, se considera una de las tecnologías solares más prometedoras. Un desafío importante para la fotosíntesis artificial es producir hidrógeno a un precio suficientemente bajo para competir con los combustibles fósiles. Hacer frente a este desafío requiere un sistema integrado que pueda absorber la luz solar de manera eficiente y producir portadores de carga para impulsar las semirreacciones de oxidación y reducción de agua por separado.

"En la fotosíntesis natural, la energía de la luz solar absorbida produce portadores de carga energizados que ejecutan reacciones químicas en regiones separadas del cloroplasto, ", Dice Yang." Hemos integrado nuestra heteroestructura a nanoescala de nanocables en un sistema funcional que imita la integración en los cloroplastos y proporciona un modelo conceptual para mejorar la eficiencia de conversión de energía solar en combustible en el futuro ".

Cuando la luz solar es absorbida por moléculas de pigmento en un cloroplasto, Se genera un electrón energizado que se mueve de molécula en molécula a través de una cadena de transporte hasta que finalmente impulsa la conversión de dióxido de carbono en azúcares carbohidratos. Esta cadena de transporte de electrones se llama "esquema Z" porque el patrón de movimiento se asemeja a la letra Z en su lado. Yang y sus colegas también usan un esquema Z en su sistema, solo que despliegan dos semiconductores estables y abundantes en la Tierra, silicio y óxido de titanio, cargados con cocatalizadores y con un contacto óhmico insertado entre ellos. Se utilizó silicio para el fotocátodo generador de hidrógeno y óxido de titanio para el fotoanodo generador de oxígeno. La arquitectura en forma de árbol se utilizó para maximizar el rendimiento del sistema. Como árboles en un bosque real las densas matrices de árboles artificiales de nanocables suprimen la reflexión de la luz solar y proporcionan más superficie para las reacciones que producen combustible.

"Tras la iluminación, se generan pares de electrones-agujeros fotoexcitados en silicio y óxido de titanio, que absorben diferentes regiones del espectro solar, ", Dice Yang." Los electrones fotogenerados en los nanocables de silicio migran a la superficie y reducen los protones para generar hidrógeno, mientras que los agujeros fotogenerados en los nanocables de óxido de titanio oxidan el agua para desarrollar moléculas de oxígeno. La mayoría de los portadores de carga de ambos semiconductores se recombinan en el contacto óhmico, completando el relevo del esquema Z, similar a la de la fotosíntesis natural ".

Bajo la luz solar simulada, este sistema integrado de fotosíntesis artificial basado en nanocables logró una eficiencia de conversión de energía solar en combustible del 0,12 por ciento. Aunque es comparable a algunas eficiencias de conversión fotosintéticas naturales, esta tasa deberá mejorarse sustancialmente para uso comercial. Sin embargo, El diseño modular de este sistema permite incorporar fácilmente componentes individuales recién descubiertos para mejorar su rendimiento. Por ejemplo, Yang señala que la salida de fotocorriente de los cátodos de silicio del sistema y los ánodos de óxido de titanio no coinciden, y que la salida de fotocorriente más baja de los ánodos limita el rendimiento general del sistema.

"Tenemos algunas buenas ideas para desarrollar fotoanodos estables con mejor rendimiento que el óxido de titanio, ", Dice Yang. Estamos seguros de que podremos reemplazar los ánodos de óxido de titanio en un futuro cercano y aumentar la eficiencia de conversión de energía en porcentajes de un solo dígito".