Un nuevo enfoque de fotosíntesis artificial utiliza la luz solar para convertir el dióxido de carbono en metano, lo que podría ayudar a que los dispositivos que funcionan con gas natural sean neutros en carbono.

El metano es el componente principal del gas natural. La fotosíntesis es el proceso mediante el cual las plantas verdes utilizan la luz solar para producir alimentos a partir del dióxido de carbono y el agua. liberando oxígeno como subproducto. La fotosíntesis artificial a menudo tiene como objetivo producir combustibles de hidrocarburos, similar al gas natural o gasolina, a partir de los mismos materiales de partida.

El método de generación de metano es posible gracias a un nuevo catalizador desarrollado a través de una colaboración entre la Universidad de Michigan, Universidad McGill y Universidad McMaster. Un artículo sobre los hallazgos se publica en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

El catalizador de energía solar está hecho de abundantes materiales y funciona en una configuración que podría producirse en masa. Los investigadores piensan que podría estar reciclando el dióxido de carbono de la chimenea en combustible de combustión limpia dentro de 5 a 10 años.

"El treinta por ciento de la energía en EE. UU. Proviene del gas natural, "dijo Zetian Mi, Profesor U-M de Ingeniería Eléctrica e Informática, quien codirigió el trabajo con Jun Song, profesor de ingeniería de materiales en la Universidad McGill. "Si podemos generar metano verde, tiene mucha importancia."

El principal avance es que el equipo ha aprovechado corrientes eléctricas relativamente grandes con un dispositivo que debería ser posible de producir en masa. También es especialmente bueno para canalizar esa electricidad hacia la formación de metano, con la mitad de los electrones disponibles yendo hacia reacciones productoras de metano en lugar de hacia subproductos como hidrógeno o monóxido de carbono.

"Los dispositivos de fotosíntesis artificial anteriores a menudo operan a una pequeña fracción de la densidad de corriente máxima de un dispositivo de silicio, mientras que aquí operamos al 80 o 90 por ciento del máximo teórico utilizando materiales listos para la industria y catalizadores abundantes en la tierra, "dijo Baowen Zhou, investigador postdoctoral en el grupo de Mi que trabaja en este proyecto.

Convertir el dióxido de carbono en metano es un proceso muy difícil. El carbono debe extraerse del CO ₂ , que requiere mucha energía porque el dióxido de carbono es una de las moléculas más estables. Igualmente, El H2O debe descomponerse para unir el hidrógeno al carbono. Cada carbono necesita cuatro átomos de hidrógeno para convertirse en metano, dando lugar a una danza complicada de ocho electrones (cada enlace carbono-hidrógeno tiene dos electrones, y hay cuatro enlaces).

El diseño del catalizador es fundamental para el éxito de la reacción.

"La pregunta del millón de dólares es cómo navegar rápidamente por el enorme espacio de materiales para identificar la receta óptima, "Dijo Song.

El trabajo teórico y computacional de su equipo identificó el componente catalizador clave:nanopartículas de cobre y hierro. El cobre y el hierro se aferran a las moléculas por sus átomos de carbono y oxígeno, ganando tiempo para que el hidrógeno salte de los fragmentos de la molécula de agua al átomo de carbono.

El dispositivo es una especie de panel solar salpicado de nanopartículas de cobre y hierro. Puede usar la energía del sol o una corriente eléctrica para descomponer el dióxido de carbono y el agua.

La capa base es una oblea de silicio, no muy diferente a los que ya están en los paneles solares. Esa oblea está rematada con nanocables, cada 300 nanómetros (0.0003 milímetros) de alto y unos 30 nanómetros de ancho, hecho de nitruro de galio semiconductor.

La disposición crea una gran superficie sobre la que pueden producirse las reacciones. Los nanocables salpicados de nanopartículas están cubiertos con una fina película de agua.

El dispositivo puede diseñarse para funcionar solo con energía solar, o se puede aumentar la producción de metano con un suplemento de electricidad. Alternativamente, funcionando con electricidad, el dispositivo podría funcionar potencialmente en la oscuridad.

En la práctica, el panel de fotosíntesis artificial debería estar conectado a una fuente de dióxido de carbono concentrado, por ejemplo, dióxido de carbono capturado de chimeneas industriales. El dispositivo también puede configurarse para producir gas natural sintético (gas de síntesis) o ácido fórmico, un conservante común en la alimentación animal.