A medida que el mundo se enfrenta a una creciente demanda de fuentes de energ\u00eda limpias y sostenibles, los cient\u00edficos recurren al poder de la fotos\u00edntesis en busca de inspiraci\u00f3n. Con el objetivo de desarrollar t\u00e9cnicas nuevas y respetuosas con el medio ambiente para producir combustible de hidr\u00f3geno de combusti\u00f3n limpia, un equipo de investigadores de la Universidad de Rochester se est\u00e1 embarcando en un proyecto innovador para imitar el proceso natural de la fotos\u00edntesis utilizando bacterias para entregar electrones a un fotocatalizador semiconductor de nanocristal.<\/p>\n\n\n\n
En un art\u00edculo publicado en la revista PNAS, Kara Bren, profesora de qu\u00edmica Richard S. Eisenberg en Rochester, y Todd Krauss, profesor de qu\u00edmica, demuestran que la bacteria Shewanella oneidensis<\/em> ofrece una manera eficaz, libre y eficiente de proporcionar electrones. a su sistema de fotos\u00edntesis artificial. Al aprovechar las propiedades \u00fanicas de estos microorganismos junto con los nanomateriales, el sistema tiene el potencial de reemplazar los enfoques actuales que obtienen hidr\u00f3geno de los combustibles f\u00f3siles, revolucionando la forma en que se produce el combustible de hidr\u00f3geno y desbloqueando una poderosa fuente de energ\u00eda renovable.<\/p>\n\n\n\n “El hidr\u00f3geno es definitivamente un combustible de gran inter\u00e9s para el DOE en este momento”, dice Bren. “Si podemos encontrar una manera de extraer hidr\u00f3geno del agua de manera eficiente, esto podr\u00eda conducir a una incre\u00edble cantidad de crecimiento en energ\u00eda limpia”.<\/p>\n\n\n\n ‘Un combustible ideal’ El hidr\u00f3geno es el elemento m\u00e1s 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 f\u00f3siles, que producen gases de efecto invernadero y otros contaminantes, cuando se quema hidr\u00f3geno, el \u00fanico subproducto es el vapor de agua.<\/p>\n\n\n\n El combustible de hidr\u00f3geno tambi\u00e9n tiene una alta densidad de energ\u00eda, lo que significa que contiene mucha energ\u00eda por unidad de peso. Se puede usar en una variedad de aplicaciones, incluidas las c\u00e9lulas de combustible, y se puede fabricar tanto a peque\u00f1a como a gran escala, lo que lo hace factible para todo, desde el uso dom\u00e9stico hasta la fabricaci\u00f3n industrial.<\/p>\n\n\n\n Los desaf\u00edos de usar hidr\u00f3geno Hist\u00f3ricamente, los cient\u00edficos han extra\u00eddo hidr\u00f3geno de los combustibles f\u00f3siles o, m\u00e1s recientemente, del agua. Para lograr esto \u00faltimo, existe un gran impulso para emplear la fotos\u00edntesis artificial.<\/p>\n\n\n\n Durante la fotos\u00edntesis natural, las plantas absorben la luz solar, que utilizan para impulsar reacciones qu\u00edmicas para convertir el di\u00f3xido de carbono y el agua en glucosa y ox\u00edgeno. En esencia, la energ\u00eda luminosa se convierte en energ\u00eda qu\u00edmica que alimenta al organismo.<\/p>\n\n\n\n De manera similar, la fotos\u00edntesis artificial es un proceso de convertir una materia prima abundante y la luz solar en un combustible qu\u00edmico. Los sistemas que imitan la fotos\u00edntesis 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 energ\u00eda al absorbedor de luz. La energ\u00eda permite que el catalizador combine los electrones proporcionados junto con los protones del agua circundante para producir gas hidr\u00f3geno. Sin embargo, la mayor\u00eda de los sistemas actuales dependen de combustibles f\u00f3siles durante el proceso de producci\u00f3n o no tienen una forma eficiente de transferir electrones.<\/p>\n\n\n\n “La forma en que se produce el combustible de hidr\u00f3geno ahora lo convierte efectivamente en un combustible f\u00f3sil”, dice Bren. “Queremos obtener hidr\u00f3geno del agua en una reacci\u00f3n impulsada por la luz para tener un combustible verdaderamente limpio, y hacerlo de una manera que no usemos combustibles f\u00f3siles en el proceso”.<\/p>\n\n\n\n El sistema \u00fanico de Rochester En su art\u00edculo, Krauss y Bren informan sobre un donante de electrones poco probable: las bacterias. Descubrieron que Shewanella oneidensis<\/em>, 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.<\/p>\n\n\n\n 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”.<\/p>\n\n\n\n Cuando las bacterias crecen en condiciones anaer\u00f3bicas (condiciones sin ox\u00edgeno), respiran sustancias celulares como combustible y liberan electrones en el proceso. Shewanella oneidensis<\/em> puede tomar electrones generados por su propio metabolismo interno y donarlos al catalizador externo.<\/p>\n\n\n\n Un combustible del futuro “La tecnolog\u00eda est\u00e1 disponible”, dice, “pero hasta que el hidr\u00f3geno proviene del agua en una reacci\u00f3n impulsada por la luz, sin usar combustibles f\u00f3siles, en realidad no est\u00e1 ayudando al medio ambiente”.<\/p>\n\n\n\n
<\/strong>El hidr\u00f3geno es “un combustible ideal”, dice Bren, “porque es una alternativa ecol\u00f3gica y libre de carbono a los combustibles f\u00f3siles”.<\/p>\n\n\n\n
<\/strong>A pesar de la abundancia de hidr\u00f3geno, pr\u00e1cticamente no hay hidr\u00f3geno puro en la Tierra; casi siempre est\u00e1 unido a otros elementos, como el carbono o el ox\u00edgeno, en compuestos como los hidrocarburos y el agua. Para usar hidr\u00f3geno como fuente de combustible, debe extraerse de estos compuestos.<\/p>\n\n\n\n
<\/strong>El grupo de Krauss y el grupo de Bren han estado trabajando durante aproximadamente una d\u00e9cada para desarrollar un sistema eficiente que emplee fotos\u00edntesis artificial y utilice nanocristales semiconductores para absorber luz y catalizadores. Uno de los desaf\u00edos 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 \u00e1cido asc\u00f3rbico, com\u00fanmente conocido como vitamina C, para devolver electrones al sistema. Si bien la vitamina C puede parecer econ\u00f3mica, “se necesita una fuente de electrones que sea casi gratuita o el sistema se vuelve demasiado costoso”, dice Krauss.<\/p>\n\n\n\n
<\/strong>Bren prev\u00e9 que, en el futuro, los hogares individuales podr\u00edan tener tinas y tanques subterr\u00e1neos para aprovechar la energ\u00eda del sol para producir y almacenar peque\u00f1os lotes de hidr\u00f3geno, lo que permitir\u00eda a las personas alimentar sus hogares y autom\u00f3viles con combustible econ\u00f3mico y de combusti\u00f3n limpia. Bren se\u00f1ala que actualmente hay trenes, autobuses y autom\u00f3viles que funcionan con celdas de combustible de hidr\u00f3geno, pero casi todo el hidr\u00f3geno disponible para alimentar estos sistemas proviene de combustibles f\u00f3siles.<\/p>\n\n\n\n