Asegurar suficiente energía para satisfacer las necesidades humanas es uno de los mayores desafíos a los que se ha enfrentado la sociedad. Fuentes anteriormente confiables:petróleo, gas y carbón:están degradando la calidad del aire, devastando la tierra y el océano y alterando el frágil equilibrio del clima global, mediante la liberación de CO2 y otros gases de efecto invernadero. Mientras tanto, Se proyecta que la población de la Tierra, que se industrializa rápidamente, alcanzará los 10 mil millones en 2050. Las alternativas limpias son una cuestión de necesidad urgente.

Los investigadores del Biodesign Center for Applied Structural Discovery de ASU están explorando nuevas tecnologías que podrían allanar el camino para limpiar, energía sostenible para ayudar a satisfacer la enorme demanda mundial.

En una nueva investigación que aparece en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense ( JACS ), la revista insignia de la AEC, autor principal Brian Wadsworth, junto con sus colegas Anna Beiler, Diana Khusnutdinova, Edgar Reyes Cruz, y el autor correspondiente Gary Moore describen tecnologías que combinan semiconductores de captación de luz y materiales catalíticos capaces de reacciones químicas que producen combustible limpio.

El nuevo estudio explora la interacción sutil de los componentes primarios de tales dispositivos y describe un marco teórico para comprender las reacciones subyacentes de formación de combustible. Los resultados sugieren estrategias para mejorar la eficiencia y el rendimiento de tales tecnologías híbridas, acercándolos un paso más a la viabilidad comercial.

La producción de hidrógeno y formas reducidas de carbono mediante estas tecnologías podría algún día suplantar las fuentes de combustibles fósiles para una amplia gama de productos básicos de carbono reducido. incluidos los combustibles, plásticos y materiales de construcción.

"En este trabajo en particular, hemos estado desarrollando sistemas que integran tecnologías de conversión y captura de luz con estrategias de almacenamiento de energía basadas en productos químicos, "dice Moore, quien es profesor asistente en la Facultad de Ciencias Moleculares de ASU. En lugar de la generación directa de electricidad a partir de la luz solar, esta nueva generación de tecnología utiliza energía solar para impulsar reacciones químicas capaces de producir combustibles, que almacenan la energía del sol en enlaces químicos. "Ahí es donde la catálisis se vuelve extremadamente importante. Es la química de controlar tanto la selectividad de las reacciones como los requisitos generales de energía para impulsar esas transformaciones, "Dice Moore.

Algo nuevo bajo el sol

Una de las fuentes más atractivas de sostenibilidad, La producción de energía neutra en carbono es antigua y abundante:la luz solar. En efecto, La adopción de tecnologías de energía solar ha ganado un impulso significativo en los últimos años.

Dispositivos fotovoltaicos (PV), o celdas solares, recoger la luz del sol y transformar la energía directamente en electricidad. Los materiales mejorados y los costos reducidos han hecho de la energía fotovoltaica una opción energética atractiva, particularmente en estados soleados como Arizona, con grandes paneles solares que cubren varios acres capaces de alimentar miles de hogares.

"Pero tener acceso a la energía solar mediante energía fotovoltaica no es suficiente, ", Señala Moore. Muchas energías renovables, como la luz solar y la energía eólica, no siempre están disponibles, por lo que el almacenamiento de fuentes intermitentes es una parte clave de cualquier tecnología futura para satisfacer la demanda mundial de energía humana a gran escala.

Como explica Moore, Tomar prestada una página del manual de Nature puede ayudar a los investigadores a aprovechar la energía radiante del sol para generar combustibles sostenibles. "Una cosa está clara, ", Dice Moore." Es probable que sigamos utilizando combustibles como parte de nuestra infraestructura energética en el futuro previsible, especialmente para aplicaciones que involucran transporte terrestre y aéreo. Ahí es donde la parte bioinspirada de nuestra investigación se vuelve particularmente relevante:buscar en la naturaleza pistas sobre cómo podríamos desarrollar nuevas tecnologías para producir combustibles libres de carbono o neutrales ".

Estilo solar

Uno de los trucos más impresionantes de la naturaleza implica el uso de la luz solar para producir sustancias químicas ricas en energía, un proceso que dominaron hace miles de millones de años las plantas y otros organismos fotosintéticos. "En este proceso, la luz se absorbe, y la energía se utiliza para impulsar una serie de transformaciones bioquímicas complejas que, en última instancia, producen los alimentos que comemos y, en largas escalas de tiempo geológico, los combustibles que hacen funcionar nuestra sociedad moderna, "Dice Moore.

En el estudio actual, El grupo analizó las variables clave que gobiernan la eficiencia de las reacciones químicas utilizadas para producir combustible a través de varios dispositivos artificiales. "En este papel, hemos desarrollado un modelo cinético para describir la interacción entre la absorción de luz en la superficie del semiconductor, migración de carga dentro del semiconductor, transferencia de carga a nuestra capa de catalizador y luego al paso de catálisis química, "dijo Wadsworth.

El modelo que desarrolló el grupo se basa en un marco similar que rige el comportamiento de las enzimas, conocida como cinética de Michaelis-Menten, que describe la relación entre las velocidades de reacción enzimática y el medio en el que tiene lugar la reacción (o sustrato). Aquí, este modelo se aplica a dispositivos tecnológicos que combinan semiconductores de captación de luz y materiales catalíticos para la formación de combustible.

"Describimos las actividades de formación de combustible de estos materiales híbridos en función de la intensidad de la luz y también del potencial, ", Dice Wadsworth. (Modelos cinéticos similares al tipo de Michaelis-Menten han demostrado ser útiles para analizar fenómenos como la unión de antígeno-anticuerpo, Hibridación ADN-ADN, e interacción proteína-proteína.)

Al modelar la dinámica del sistema, el grupo hizo un descubrimiento sorprendente. "En este sistema en particular, no estamos limitados por la rapidez con la que el catalizador puede impulsar la reacción química, ", Dice Moore." Estamos limitados por la capacidad de entregar electrones a ese catalizador y activarlo. Eso está relacionado con la intensidad de la luz que golpea la superficie. Brian Anna Diana, y Edgar han demostrado en sus experimentos que aumentar la intensidad de la luz aumenta la tasa de formación de combustible ".

El descubrimiento tiene implicaciones para el diseño futuro de tales dispositivos con miras a maximizar su eficiencia. "El simple hecho de agregar más catalizador a la superficie del material híbrido no resulta en mayores tasas de producción de combustible. Debemos considerar las propiedades de absorción de luz del semiconductor subyacente, lo que a su vez nos obliga a pensar más en la selección del catalizador y cómo el catalizador interactúa con el componente absorbente de luz ".

rayo de esperanza

Queda mucho trabajo por hacer antes de que estas soluciones de energía solar a combustibles estén listas para el horario de máxima audiencia. Hacer que tecnologías como estas sean prácticas para las demandas humanas requiere eficiencia, asequibilidad y estabilidad. "Los ensamblajes biológicos tienen la capacidad de autorrepararse y reproducirse; los ensamblajes tecnológicos han sido limitados en este aspecto. Es un área en la que podemos aprender más de la biología, "Dice Moore.

La tarea difícilmente podría ser más urgente. Se prevé que la demanda mundial de energía aumente de alrededor de 17 teravatios en la actualidad a la asombrosa cifra de 30 teravatios a mediados de siglo. Además de los importantes obstáculos científicos y tecnológicos, Moore enfatiza que también serán esenciales cambios profundos en las políticas. "Existe una cuestión real de cómo vamos a satisfacer nuestras futuras demandas de energía. Si lo vamos a hacer de una manera ecológica e igualitaria, va a requerir un compromiso político serio ".

La nueva investigación es un paso en el largo camino hacia un futuro sostenible. El grupo señala que sus hallazgos son importantes porque probablemente sean relevantes para una amplia gama de transformaciones químicas que involucran materiales absorbentes de luz y catalizadores. "Los principios clave, particularmente la interacción entre la intensidad de la iluminación, La absorción de luz y la catálisis también deben aplicarse a otros materiales, "Dice Moore.