FOTOSINTISIS ARTIFICAL

FOTOSINTISIS ARTIFICAL

En 1912 el químico italiano Giacomo Ciamician indicaba que una alternativa a los combustibles fósiles era utilizar la energía de la fotosíntesis natural.

La propuesta  ha motivado a investigadores de todo el mundo que desarrollen métodos para obtener energía limpia de La forma sencilla,  usando la  idea de las células vegetales; es decir, transformar la energía solar en energía electroquímica empleando moléculas sensibles a la luz..

 si en lugar de recurrir a los combustibles fósiles, al viento o a la energía nuclear pudiéramos obtener energía usando hojas como las plantas para atrapar la energía del Sol  Es lo que acaba de hacer Daniel Nocera, químico del Instituo de Tecnología de Massachusetts (MIT), que se acerca a la fotosíntesis artificial. Durante la CCXLI reunión de la Sociedad Americana de Química, Nocera y su equipo han presentado una célula solar  del tamaño de un naipe que simula el proceso natural, utilizándola para convertir la luz solar y el agua en energía.

 Esta hoja artificial resulta  prometedora como una fuente barata de energía eléctrica. El objetivo es hacer de cada hogar tenga su propia central eléctrica.

El dispositivo no se parece a las hojas naturales, los científicos han utilizado sin embargo como modelos en sus esfuerzos para desarrollar este nuevo tipo de células solares. Su forma es la de una carta de póker, pero más delgada, y fabricada a partir de un chip de silicio, componentes electrónicos y catalizadores; Situado en un recipiente con 3,7 litros de agua y recibiendo luz brillante del sol, el dispositivo podría producir energía suficiente como para abastecer una casa durante un día, Lo hace mediante la división del agua en sus dos componentes: hidrógeno y oxígeno, que utiliza silicio, níquel y cobalto, emulando las hojas, que usan energía de la luz solar para producir electrones y cargas positivas dentro de estas, y luego dividen el agua en oxígeno e hidrógeno, atrapado en carbohidratos, las hojas están cargadas de electricidad según su eficiencia , este dispositivo  era poco práctico por el uso  de metales raros, caros y  muy inestable; La nueva hoja de Nocera, por el contrario, está hecha a partir de materiales de bajo costo, el investigador demostró que el prototipo podría funcionar de forma continua durante al menos 45 horas sin parar. Además, en este momento  es aproximadamente 10 veces más eficiente comparando el proceso de una hoja natural.    

 Julea Butt, directora de la investigación en la Universidad de East Anglia, explica que en este sistema de fotosíntesis artificial se colocan pequeños paneles solares sobre microorganismos que capten la luz del Sol y conduzcan la producción de hidrógeno, sobre la cual las tecnologías para liberar energía bajo demanda están muy avanzadas. El proyecto, valuado en más de un millón 200 mil dólares, será llevado a cabo por científicos de las universidades de East Anglia, Cambridge y Leeds.

Por otra  parte, investigadores del Laboratorio Berkely desarrollaron el primer banco de pruebas de microfluidos totalmente integrados para evaluar y optimizar los sistemas de conversión electroquímica dirigidos por energía solar; El sistema de banco de pruebas ya ha sido usado para estudiar esquemas de electrólisis fotovoltaica de agua, y puede hacer el estudio de fotosíntesis artificial y tecnologías de células de combustible. La fotosíntesis artificial presenta ciertas ventajas con respecto de los paneles fotovoltaicos. La diferencia principal es que mientras la conversión

directa de la luz solar en electricidad a través de paneles no permite su almacenamiento a gran escala, la fotosíntesis artificial puede producir combustible almacenado, hace la  fuente de energía ideal. No requiere de extracciones ni perforaciones, sus materias primeras no desaparecerán y es potencialmente menos costosa que otras  energías .Además, al utilizar CO2 como fuente de alimentación la reacción de la fotosíntesis artificial podría disminuir la cantidad de dióxido de carbono en la atmosfera, devolviendo oxígeno puro y deshaciendo la contaminación.

El empleo de materiales semiconductores con el fin de imitar el proceso de fotosíntesis natural, se puede lograr la realización simultánea de dos reacciones principales: la ruptura (oxidación) de la molécula de H2O para generar O2 y H+ y siguiente, H2 y la reducción de CO2 a metano o metanol para esto se requiere semiconductores los cuales  con la luz realizar distintas reacciones de oxidación y reducción simultáneas, las cuales son  necesarios para llevar a cabo la fotosíntesis artificial.

Sin embargo, los electrones excitados pueden participar en múltiples reacciones, y, si además se combinan con un hueco h+, pueden sufrir desactivación, liberando la energía absorbida y recombinando cargas,  haciendo bajas eficiencias, la eficiencia de los procesos foto catalíticos depende fundamentalmente de cuatro variables: i) la absorción de luz; ii) la separación de cargas; iii) la migración de las cargas a la superficie, y, iv) la recombinación de las cargas. La fotosíntesis artificial al menos dos pasos catalíticos críticos que son: i) la oxidación de dos moléculas de H₂O en O2 idealmente depende de las reacciones simultáneas de la ruptura de H2O y la reducción del CO2; el H a partir de H2O requiere y H+, y, ii) la subsecuente reducción de los protones a H2 molecular, el potencial redox estimado es de ‒1.23 eV

Las cantidades de H2 producidas por esta reacción son muy pequeñas aun utilizando foto catalizadores modificados con alguna de las técnicas antes mencionadas. Al aumentar la eficiencia de la producción de H2. Se han utilizado para este fin, las moléculas orgánicas tales como alcoholes, aldehídos, glucosa y colorantes y también se han utilizado compuestos inorgánicos como S2–/SO32–, Fe3+, Ce4+,

Para el empleo del proceso foto catalítica de reducción de CO2 con H2O como alternativa a los combustibles fósiles se requiere de múltiples investigaciones de base para la adecuación y uso de esta potencial fuente de energía sostenible. Por un lado, se requiere proveer al sistema catalítico de los mecanismos que faciliten la transformación de dos de las moléculas termodinámicamente más estables (CO2 y H2O), cuyas conversiones alcanzadas hasta el momento son menores al 1 %, y con velocidades de reacción muy bajas. Esperando  desarrollar catalizadores que tengan una máxima eficiencia para la absorción de energía solar y  cumplan con el nivel de energía de banda acorde a las reacciones redox, se produce  eficientemente.

En la búsqueda de materiales activos y estables, la interrelación entre las distintas propiedades finales del semiconductor y el desempeño mostrado en las reacciones de la fotosíntesis artificial es muy compleja. Así, la interpretación de los resultados y la asignación de responsables no resulta simple. A la fecha se sabe que existe mucha incertidumbre para lograr tecnologías que empleen la fotosíntesis artificial, pero el desafío no es únicamente tecnológico, que implica un cambio cultural en la forma de consumo de energía.

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