Una ¡°hoja artificial¡± que transforma di¨®xido de carbono en combustible

El principal inconveniente de la energ¨ªa solar es que no se puede producir bajo demanda. Es posible guardar la electricidad en bater¨ªas, pero son grandes, pesadas y de autonom¨ªa limitada. En la b¨²squeda de una soluci¨®n m¨¢s eficiente, los investigadores han decidido emular a las plantas, expertas en almacenar la energ¨ªa del Sol.

¡°Hemos creado un prototipo capaz de hacer fotos¨ªntesis artificial¡±, afirma Jos¨¦ Ram¨®n Gal¨¢n-Mascar¨®s, cient¨ªfico del Instituto Catal¨¢n de Investigaci¨®n Qu¨ªmica (ICIQ), en Tarragona. ¡°Con la energ¨ªa de la luz del sol, transforma di¨®xido de carbono y agua en un combustible¡±. El equipo de Gal¨¢n-Mascar¨®s capitanea A-Leaf, un grupo de centros de investigaci¨®n dotados con ocho millones de euros por la Comisi¨®n Europea para desarrollar esta tecnolog¨ªa.

Ante la inmadurez tecnol¨®gica de las bater¨ªas de litio y de los supercondensadores, muchos consideran esta la ¨²nica forma factible de almacenar energ¨ªa limpia

En su laboratorio del ICIQ se somete a las pruebas finales una de las ¡°hojas artificiales¡± construidas para capturar la energ¨ªa del sol. La celda electroqu¨ªmica, como se llama t¨¦cnicamente, es un dispositivo cil¨ªndrico encerrado en un prisma transl¨²cido, no m¨¢s grande que una lata de legumbres. Varios tubos suministran reactivos a sus dos compartimentos separados por una membrana, el ¨¢nodo y el c¨¢todo, mientras que una peque?a celda fotovoltaica genera la diferencia de potencial entre los dos necesaria para propiciar las reacciones qu¨ªmicas.

En el ¨¢nodo se oxidan mol¨¦culas de agua (H2O), liberando ox¨ªgeno gaseoso (O2). En el c¨¢todo se produce la reducci¨®n de di¨®xido de carbono (CO2), para dar lugar a mol¨¦culas org¨¢nicas que almacenan energ¨ªa en sus enlaces qu¨ªmicos; la energ¨ªa se puede liberar quemando este producto. El prototipo que han construido genera, concretamente, ¨¢cido f¨®rmico (H-COOH), un compuesto que actualmente tiene poco inter¨¦s comercial, pero los investigadores se?alan que es una prueba de concepto y que las celdas electroqu¨ªmicas finales podr¨¢n producir otros combustibles.

Energ¨ªa sin huella de carbono

Otras dos r¨¦plicas del prototipo se estudian en Mesina (Italia) y en Z¨²rich (Suiza), ya que el proyecto empez¨® en 2016 y ahora entra en su fase final: ¡°Integraremos todos los componentes, estudiaremos su eficiencia, su productividad y los costes que puede tener el proceso a escala industrial¡±, explica Gal¨¢n-Mascar¨®s. Actualmente, la hoja artificial almacena en torno al 10% de la energ¨ªa lum¨ªnica que recibe, una eficiencia dos o tres veces mayor que la de una hoja vegetal.

Como el proceso es circular, tiene una huella de carbono casi nula, a diferencia de la quema de combustibles f¨®siles

La forma m¨¢s realista de utilizar estas celdas solares electroqu¨ªmicas, seg¨²n los investigadores, ser¨¢ para la producci¨®n local de combustible a peque?a escala ¡ªpor ejemplo en lugares remotos, en gasolineras o en f¨¢bricas¡ª pero no necesariamente en grandes centrales el¨¦ctricas. La fotos¨ªntesis artificial no elimina di¨®xido de carbono de la atm¨®sfera, ya que produce combustibles que, al quemarse, vuelven a liberar este gas de efecto invernadero. Sin embargo, como el proceso es circular, tiene una huella de carbono casi nula, a diferencia de la quema de combustibles f¨®siles.

Por otra parte, aunque el di¨®xido de carbono es el gas de efecto invernadero m¨¢s importante por su abundancia, su concentraci¨®n en la atm¨®sfera es de 0,04%, diminuta en comparaci¨®n con la del nitr¨®geno (78%) o la del ox¨ªgeno (21%). Por eso, la fotos¨ªntesis artificial tiene como objetivo a corto y medio plazo aprovechar el di¨®xido de carbono directamente en los lugares donde se produce: principalmente donde haya chimeneas que concentran este gas. Seg¨²n Gal¨¢n-Mascar¨®s, ¡°la captura de CO2 es un problema, sobre todo econ¨®mico¡±, porque la tecnolog¨ªa para absorber el gas de la atm¨®sfera es cara.

Del laboratorio a la industria

El trabajo principal de A-Leaf es de investigaci¨®n y los resultados cient¨ªficos son p¨²blicos, pero el consorcio tambi¨¦n ha registrado patentes en un primer paso hacia la comercializaci¨®n de la tecnolog¨ªa. Seg¨²n Nuria L¨®pez, qu¨ªmica del ICIQ que tambi¨¦n participa en el proyecto, urge la transferencia de esta ciencia a la industria europea. ¡°Si nosotros, Europa, no somos capaces de dimensionar este tipo de dispositivo a una escala piloto y luego a una escala industrial, en diez a?os China lo habr¨¢ hecho por nosotros. Esto ya ha pasado, por ejemplo con los paneles solares¡±, advierte la investigadora.

L¨®pez lidera el grupo de qu¨ªmica te¨®rica que, utilizando t¨¦cnicas de cribado r¨¢pido con superordenadores, ha identificado los materiales candidatos para construir el dispositivo. Los elementos escogidos son catalizadores que favorecen las reacciones qu¨ªmicas en cada compartimento de la celda y, para garantizar su utilidad industrial, son s¨®lidos y estables a temperatura ambiente y presi¨®n atmosf¨¦rica.

La forma m¨¢s realista de utilizar estas celdas solares electroqu¨ªmicas, seg¨²n los investigadores, ser¨¢ para la producci¨®n local de combustible a peque?a escala

En la elecci¨®n, los cient¨ªficos han descartado todos los metales considerados ¡°cr¨ªticos¡±, bien por ser muy caros, como el platino, o bien porque su suministro aviva conflictos geopol¨ªticos, como es el caso del cobalto o del litio. Al final, se han decantado por un catalizador para el ¨¢nodo basado en hierro y n¨ªquel, estable y eficiente en las condiciones de la celda. Ahora ensayan la viabilidad del c¨¢todo; aqu¨ª han escogido un material de cobre dopado con azufre, que funciona bien para reducir el CO2 y generar compuestos de un solo carbono, como es el ¨¢cido f¨®rmico.

A nivel mundial, varios proyectos estudian la posibilidad de implementar la fotos¨ªntesis artificial en los pr¨®ximos a?os. Es una tecnolog¨ªa que ya anticip¨® el qu¨ªmico italiano Giacomo Luigi Ciamician a principios del siglo XX. Ante la inmadurez tecnol¨®gica de las bater¨ªas de litio y de los supercondensadores, muchos consideran esta la ¨²nica forma factible de almacenar energ¨ªa limpia. ¡°Nosotros pensamos que deber¨ªa haber, dentro de la Green Deal [el programa de transici¨®n energ¨¦tica europeo], un apoyo grande a la conversi¨®n de energ¨ªas renovables en energ¨ªas qu¨ªmicas¡±, concluye L¨®pez.

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