Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Han duplicado la eficiencia de un combo químico que captura la luz y divide las moléculas de agua para que los componentes básicos se puedan usar para producir combustible de hidrógeno. Su estudio, seleccionado como "Elección de los editores" de la American Chemical Society que aparecerá en la portada del Revista de química física C , proporciona una plataforma para desarrollar mejoras revolucionarias en la llamada fotosíntesis artificial, una imitación basada en laboratorio del proceso natural destinado a generar energía limpia a partir de la luz solar.

En la fotosíntesis natural, Las plantas verdes utilizan la luz solar para transformar el agua (H ₂ O) y dióxido de carbono (CO ₂ ) en carbohidratos como azúcar y almidones. La energía de la luz solar se almacena en los enlaces químicos que mantienen unidas esas moléculas.

Muchas estrategias de fotosíntesis artificial comienzan buscando formas de usar la luz para dividir el agua en sus componentes, hidrógeno y oxígeno, por lo que el hidrógeno puede luego combinarse con otros elementos, idealmente el carbono del dióxido de carbono, para producir combustibles. Pero incluso conseguir que los átomos de hidrógeno se recombinen como gas hidrógeno puro (H ₂ ) es un paso hacia la generación de combustible limpio con energía solar.

Para lograr la división del agua, Los científicos han estado explorando una amplia gama de moléculas absorbentes de luz (también llamadas cromóforos, o tintes) combinados con catalizadores químicos que pueden separar los muy fuertes enlaces hidrógeno-oxígeno del agua. El nuevo enfoque utiliza "ataduras" moleculares, cadenas de carbono simples que tienen una alta afinidad entre sí, para unir el cromóforo al catalizador. Las ataduras mantienen las partículas lo suficientemente cerca como para transferir electrones del catalizador al cromóforo, un paso esencial para activar el catalizador, pero las mantiene lo suficientemente separadas para que los electrones no vuelvan al catalizador.

"Los electrones se mueven rápido, pero las reacciones químicas son mucho más lentas. Entonces, para dar tiempo al sistema para que tenga lugar la reacción de división del agua sin que los electrones regresen al catalizador, tienes que separar esos cargos, "explicó el químico de Brookhaven Lab, Javier Concepción, quien lideró el proyecto.

En la configuración completa, los cromóforos (atados al catalizador) están incrustados en una capa de nanopartículas en un electrodo. Cada nanopartícula está hecha de un núcleo de dióxido de estaño (SnO2) rodeado por un dióxido de titanio (TiO ₂ ) cascarón. Estos diferentes componentes proporcionan eficientes, transporte gradual de electrones para seguir alejando las partículas cargadas negativamente del catalizador y enviándolas a donde se necesitan para producir combustible.

Así es como funciona de principio a fin:la luz incide en el cromóforo y le da a un electrón una sacudida suficiente para enviarlo desde el cromóforo a la superficie de la nanopartícula. Desde allí, el electrón se mueve al núcleo de nanopartículas, y luego fuera del electrodo a través de un alambre. Mientras tanto, el cromóforo, habiendo perdido un electrón, extrae un electrón del catalizador. Mientras haya luz este proceso se repite, enviando electrones que fluyen del catalizador al cromóforo a la nanopartícula al cable.

Cada vez que el catalizador pierde cuatro electrones, se activa con una carga positiva lo suficientemente grande como para robar cuatro electrones de dos moléculas de agua. Eso rompe el hidrógeno y el oxígeno. El oxígeno burbujea como gas (en la fotosíntesis natural, ¡Así es como las plantas producen el oxígeno que respiramos!) mientras que los átomos de hidrógeno (ahora iones porque están cargados positivamente) se difunden a través de una membrana hacia otro electrodo. Allí se recombinan con los electrones transportados por el cable para producir gas hidrógeno:¡combustible!

Construyendo sobre la experiencia

El equipo de Brookhaven había probado una versión anterior de esta configuración de cromóforo-catalizador en la que el tinte que absorbe la luz y las partículas del catalizador se conectaban mucho más estrechamente con enlaces químicos directos en lugar de ataduras.

"Esto fue muy difícil de hacer, dando muchos pasos de síntesis y purificación, y se necesitaron varios meses para hacer las moléculas, "Dijo Concepción." Y el desempeño no fue tan bueno al final ".

A diferencia de, unir las ataduras de la cadena de carbono a ambas moléculas les permite autoensamblarse.

"Simplemente sumerge el electrodo recubierto con los cromóforos en una solución en la que el catalizador está suspendido y las ataduras de los dos tipos de moléculas se encuentran y se unen, "dijo Lei Wang, estudiante de posgrado de la Universidad de Stony Brook, coautor del artículo actual y autor principal de un artículo publicado a principios de este año que describía la estrategia de autoensamblaje.

El nuevo documento incluye datos que muestran que el sistema con conexiones atadas es considerablemente más estable que los componentes conectados directamente. y generó el doble de corriente, la cantidad de electrones que fluyen a través del sistema.

"Cuantos más electrones genere con la luz que entra, cuanto más tenga disponible para generar combustible de hidrógeno, "Dijo Concepción.

Los científicos también midieron la cantidad de oxígeno producida.

"Descubrimos que este sistema, usando luz visible, es capaz de alcanzar eficiencias notables para la división del agua impulsada por la luz, "Dijo Concepción.

Pero todavía hay margen de mejora, El lo notó. "Lo que hemos hecho hasta ahora funciona para producir hidrógeno. Pero nos gustaría pasar a la fabricación de combustibles de hidrocarburos de mayor valor". Ahora que tienen un sistema en el que pueden intercambiar componentes fácilmente y experimentar con otras variables, están preparados para explorar las posibilidades.

"Uno de los aspectos más importantes de esta configuración no es solo el rendimiento, pero la facilidad de montaje, "Dijo Concepción.

"Debido a que estas combinaciones de cromóforos y catalizadores son tan fáciles de hacer, y las ataduras nos dan tanto control sobre la distancia entre ellos, ahora podemos estudiar, por ejemplo, cuál es la distancia óptima. Y podemos hacer experimentos combinando diferentes cromóforos y catalizadores sin tener que hacer muchas síntesis complejas para encontrar las mejores combinaciones, ", dijo." La versatilidad de este enfoque nos permitirá hacer estudios fundamentales que no hubieran sido posibles sin este sistema ".