A medida que el mundo se enfrenta a una creciente demanda de fuentes de energía limpias y sostenibles, los científicos recurren al poder de la fotosíntesis en busca de inspiración. Con el objetivo de desarrollar técnicas nuevas y respetuosas con el medio ambiente para producir combustible de hidrógeno de combustión limpia, un equipo de investigadores de la Universidad de Rochester se está embarcando en un proyecto innovador para imitar el proceso natural de la fotosíntesis utilizando bacterias para entregar electrones a un fotocatalizador semiconductor de nanocristal.
En un artículo publicado en la revista PNAS, Kara Bren, profesora de química Richard S. Eisenberg en Rochester, y Todd Krauss, profesor de química, demuestran que la bacteria Shewanella oneidensis ofrece una manera eficaz, libre y eficiente de proporcionar electrones. a su sistema de fotosíntesis artificial. Al aprovechar las propiedades únicas de estos microorganismos junto con los nanomateriales, el sistema tiene el potencial de reemplazar los enfoques actuales que obtienen hidrógeno de los combustibles fósiles, revolucionando la forma en que se produce el combustible de hidrógeno y desbloqueando una poderosa fuente de energía renovable.
“El hidrógeno es definitivamente un combustible de gran interés para el DOE en este momento”, dice Bren. “Si podemos encontrar una manera de extraer hidrógeno del agua de manera eficiente, esto podría conducir a una increíble cantidad de crecimiento en energía limpia”.
‘Un combustible ideal’
El hidrógeno es “un combustible ideal”, dice Bren, “porque es una alternativa ecológica y libre de carbono a los combustibles fósiles”.
El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo y se puede producir a partir de una variedad de fuentes, que incluyen agua, gas natural y biomasa. A diferencia de los combustibles fósiles, que producen gases de efecto invernadero y otros contaminantes, cuando se quema hidrógeno, el único subproducto es el vapor de agua.
El combustible de hidrógeno también tiene una alta densidad de energía, lo que significa que contiene mucha energía por unidad de peso. Se puede usar en una variedad de aplicaciones, incluidas las células de combustible, y se puede fabricar tanto a pequeña como a gran escala, lo que lo hace factible para todo, desde el uso doméstico hasta la fabricación industrial.
Los desafíos de usar hidrógeno
A pesar de la abundancia de hidrógeno, prácticamente no hay hidrógeno puro en la Tierra; casi siempre está unido a otros elementos, como el carbono o el oxígeno, en compuestos como los hidrocarburos y el agua. Para usar hidrógeno como fuente de combustible, debe extraerse de estos compuestos.
Históricamente, los científicos han extraído hidrógeno de los combustibles fósiles o, más recientemente, del agua. Para lograr esto último, existe un gran impulso para emplear la fotosíntesis artificial.
Durante la fotosíntesis natural, las plantas absorben la luz solar, que utilizan para impulsar reacciones químicas para convertir el dióxido de carbono y el agua en glucosa y oxígeno. En esencia, la energía luminosa se convierte en energía química que alimenta al organismo.
De manera similar, la fotosíntesis artificial es un proceso de convertir una materia prima abundante y la luz solar en un combustible químico. Los sistemas que imitan la fotosíntesis requieren tres componentes: un absorbente de luz, un catalizador para producir el combustible y una fuente de electrones. Estos sistemas suelen estar sumergidos en agua y una fuente de luz proporciona energía al absorbedor de luz. La energía permite que el catalizador combine los electrones proporcionados junto con los protones del agua circundante para producir gas hidrógeno. Sin embargo, la mayoría de los sistemas actuales dependen de combustibles fósiles durante el proceso de producción o no tienen una forma eficiente de transferir electrones.
“La forma en que se produce el combustible de hidrógeno ahora lo convierte efectivamente en un combustible fósil”, dice Bren. “Queremos obtener hidrógeno del agua en una reacción impulsada por la luz para tener un combustible verdaderamente limpio, y hacerlo de una manera que no usemos combustibles fósiles en el proceso”.
El sistema único de Rochester
El grupo de Krauss y el grupo de Bren han estado trabajando durante aproximadamente una década para desarrollar un sistema eficiente que emplee fotosíntesis artificial y utilice nanocristales semiconductores para absorber luz y catalizadores. Uno de los desafíos que enfrentaron los investigadores fue descubrir una fuente de electrones y transferir eficientemente los electrones del donante de electrones a los nanocristales. Otros sistemas han utilizado ácido ascórbico, comúnmente conocido como vitamina C, para devolver electrones al sistema. Si bien la vitamina C puede parecer económica, “se necesita una fuente de electrones que sea casi gratuita o el sistema se vuelve demasiado costoso”, dice Krauss.
En su artículo, Krauss y Bren informan sobre un donante de electrones poco probable: las bacterias. Descubrieron que Shewanella oneidensis, una bacteria recolectada por primera vez en el lago Oneida en el norte del estado de Nueva York, ofrece una forma efectivamente gratuita, pero eficiente, de proporcionar electrones a su sistema.
Mientras que otros laboratorios han combinado nanoestructuras y bacterias, “todos esos esfuerzos toman electrones de los nanocristales y los colocan en las bacterias, y luego usan la maquinaria bacteriana para preparar combustibles”, dice Bren. “Hasta donde sabemos, el nuestro es el primer caso en ir en sentido contrario y utilizar la bacteria como fuente de electrones para un catalizador de nanocristales”.
Cuando las bacterias crecen en condiciones anaeróbicas (condiciones sin oxígeno), respiran sustancias celulares como combustible y liberan electrones en el proceso. Shewanella oneidensis puede tomar electrones generados por su propio metabolismo interno y donarlos al catalizador externo.
Un combustible del futuro
Bren prevé que, en el futuro, los hogares individuales podrían tener tinas y tanques subterráneos para aprovechar la energía del sol para producir y almacenar pequeños lotes de hidrógeno, lo que permitiría a las personas alimentar sus hogares y automóviles con combustible económico y de combustión limpia. Bren señala que actualmente hay trenes, autobuses y automóviles que funcionan con celdas de combustible de hidrógeno, pero casi todo el hidrógeno disponible para alimentar estos sistemas proviene de combustibles fósiles.
“La tecnología está disponible”, dice, “pero hasta que el hidrógeno proviene del agua en una reacción impulsada por la luz, sin usar combustibles fósiles, en realidad no está ayudando al medio ambiente”.
Fuente: Tech Xplore.
