Un nuevo catalizador creado por investigadores de U of T Engineering los acerca un paso más a la fotosíntesis artificial, un sistema que, al igual que las plantas, utilizaría energía renovable para convertir el dióxido de carbono (CO2) en energía química almacenada. Al capturar las emisiones de carbono y almacenar energía de la energía solar o eólica, la invención proporciona un doble golpe en la lucha contra el cambio climático.

"La captura de carbono y la energía renovable son dos tecnologías prometedoras, pero hay problemas, "dice Phil De Luna, uno de los autores principales de un artículo publicado hoy en Química de la naturaleza . "La tecnología de captura de carbono es cara, y la energía solar y eólica son intermitentes. Puede usar baterías para almacenar energía, pero una batería no va a impulsar un avión a cruzar el Atlántico ni a calentar una casa durante todo el invierno:para eso se necesitan combustibles ".

De Luna y sus coautores principales, Xueli Zheng y Bo Zhang, que realizaron su trabajo bajo la supervisión del profesor Ted Sargent, tienen como objetivo abordar ambos desafíos a la vez. y buscan inspiración en la naturaleza. Están diseñando un sistema artificial que imita cómo las plantas y otros organismos fotosintéticos usan la luz solar para convertir el CO2 y el agua en moléculas que los humanos pueden usar más tarde como combustible.

Como en las plantas, su sistema consta de dos reacciones químicas vinculadas:una que divide el H2O en protones y gas oxígeno, y otro que convierte el CO2 en monóxido de carbono, o CO. (El CO se puede convertir en combustibles de hidrocarburos a través de un proceso industrial establecido llamado síntesis de Fischer-Tropsch).

"Durante los últimos años, nuestro equipo ha desarrollado catalizadores de muy alto rendimiento para la primera y la segunda reacción, "dice Zhang, quien contribuyó al trabajo mientras era un becario postdoctoral en la U of T y ahora es profesor en la Universidad de Fudan. "Pero mientras que el segundo catalizador funciona en condiciones neutrales, el primer catalizador requiere altos niveles de pH para ser más activo ".

Eso significa que cuando los dos se combinan, el proceso general no es tan eficiente como podría ser, ya que se pierde energía al mover partículas cargadas entre las dos partes del sistema.

El equipo ha superado este problema desarrollando un nuevo catalizador para la primera reacción, el que divide el agua en protones y oxígeno gaseoso. A diferencia del catalizador anterior, éste funciona a pH neutro, y en esas condiciones funciona mejor que cualquier otro catalizador informado anteriormente.

"Tiene un sobrepotencial bajo, lo que significa que se necesita menos energía eléctrica para impulsar la reacción, "dice Zheng, quien ahora es un becario postdoctoral en la Universidad de Stanford. "Además de eso, tener un catalizador que pueda funcionar al mismo pH neutro que la reacción de conversión de CO2 reduce el potencial general de la celda ".

En el papel, el equipo informa que la eficiencia general de conversión de energía eléctrica a química del sistema es del 64%. Según De Luna, este es el valor más alto jamás logrado para un sistema de este tipo, incluyendo su anterior, que solo alcanzó el 54 por ciento.

El nuevo catalizador está hecho de níquel, planchar, cobalto y fósforo, todos los elementos que son de bajo costo y presentan pocos riesgos de seguridad. Se puede sintetizar a temperatura ambiente utilizando equipos relativamente económicos, y el equipo demostró que se mantuvo estable mientras lo probaron, un total de 100 horas.

Armados con su catalizador mejorado, el laboratorio de Sargent ahora está trabajando para construir su sistema de fotosíntesis artificial a escala piloto. El objetivo es capturar CO2 de los gases de combustión, por ejemplo, de una planta de energía que quema gas natural y utilice el sistema catalítico para convertirlo de manera eficiente en combustibles líquidos.

"Tenemos que determinar las condiciones de funcionamiento adecuadas:caudal, concentración de electrolito, potencial eléctrico, "dice De Luna." A partir de este momento, todo es ingeniería ".

El equipo y su invento son semifinalistas en el NRG COSIA Carbon XPRIZE, un desafío de 20 millones de dólares para "desarrollar tecnologías innovadoras que conviertan las emisiones de CO2 de las plantas de energía y las instalaciones industriales en productos valiosos".

El proyecto fue el resultado de una colaboración internacional y multidisciplinar. La fuente de luz canadiense en Saskatchewan proporcionó los rayos X de alta energía utilizados para sondear las propiedades electrónicas del catalizador. La Fundición Molecular del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. Realizó un trabajo de modelado teórico. El Consejo de Investigación en Ciencias Naturales e Ingeniería proporcionó apoyo financiero y en especie, la Fundación de Canadá para la Innovación, Universidad de Tianjin, Universidad de Fudan y la fuente de luz de Beijing.

En cuanto a lo que lo ha mantenido motivado durante todo el proyecto, De Luna señala la oportunidad de generar un impacto en algunos de los mayores desafíos ambientales de la sociedad.

"Ver el rápido avance en el campo ha sido muy emocionante, ", dice." En cada conferencia semanal o mensual que tenemos en nuestro laboratorio, la gente está rompiendo récords a diestra y siniestra. Todavía hay mucho espacio para crecer, pero realmente disfruto de la investigación, y las emisiones de carbono son tan importantes que cualquier mejora se siente como un verdadero logro ".