Nanoflores de cobre que crecen en hojas artificiales para producir biocombustible

Investigadores de Cambridge y Berkeley han desarrollado una planta artificial que convierte CO? en combustibles y productos químicos sin emisiones adicionales, usando solo la luz solar

La fotosíntesis artificial es una tecnología inspirada en el proceso natural que las plantas usan para convertir la luz solar en energía. En lugar de producir azúcares como lo hacen las plantas, estos dispositivos convierten el dióxido de carbono (CO?) y el agua en combustibles y productos químicos útiles. Para lograrlo, utilizan materiales especiales, como las perovskitas, que absorben la luz, y catalizadores metálicos, que facilitan las reacciones químicas necesarias. Esta tecnología busca ofrecer alternativas sostenibles a la producción de combustibles fósiles, reduciendo así las emisiones de carbono.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Cambridge y la Universidad de California, Berkeley, ha dado un paso importante en la producción de combustibles limpios y productos químicos sostenibles. Su nuevo dispositivo combina una hoja artificial, que utiliza un material solar de alta eficiencia llamado perovskita, con catalizadores en forma de ‘nano-flores’ de cobre para convertir dióxido de carbono (CO?) en hidrocarburos complejos.

A diferencia de la mayoría de los catalizadores metálicos que solo pueden transformar CO? en moléculas simples de un solo carbono, estas nano-flores de cobre permiten la formación de hidrocarburos más complejos con dos átomos de carbono, como el etano y el etileno. Estos compuestos son esenciales para la producción de combustibles líquidos, productos químicos y plásticos.

Actualmente, casi todos los hidrocarburos provienen de combustibles fósiles. Sin embargo, el método desarrollado por el equipo de Cambridge-Berkeley produce combustibles y productos químicos limpios utilizando solo CO?, agua y glicerol, sin generar emisiones de carbono adicionales. Los resultados de esta investigación se publicaron en la revista Nature Catalysis.

Este avance se basa en trabajos previos del equipo sobre hojas artificiales, inspirados en la fotosíntesis, el proceso mediante el cual las plantas convierten la luz solar en alimento. “Queríamos ir más allá de la simple reducción de dióxido de carbono y producir hidrocarburos más complejos, pero eso requiere mucha más energía”, explicó el Dr. Virgil Andrei, del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge y autor principal del estudio.

Andrei, investigador en el St John’s College de Cambridge, realizó este trabajo como parte del programa de intercambio Winton Cambridge-Kavli ENSI, en el laboratorio del profesor Peidong Yang en la Universidad de California, Berkeley.

Un catalizador de nanoflores

Al combinar un absorbedor de luz de perovskita con el catalizador de nano-flores de cobre, el equipo logró producir hidrocarburos más complejos. Para mejorar aún más la eficiencia y superar los límites energéticos de la división del agua, los investigadores añadieron electrodos de nanocables de silicio que, en lugar de dividir agua, oxidan glicerol. Esta nueva plataforma es 200 veces más eficaz que los sistemas anteriores para la conversión de agua y CO?.

La reacción no solo mejora el rendimiento en la reducción de CO?, sino que también produce productos químicos de alto valor como el glicerato, el lactato y el formiato, que tienen aplicaciones en la industria farmacéutica, cosmética y en la síntesis química.

“El glicerol suele considerarse un residuo, pero aquí juega un papel crucial al mejorar la velocidad de la reacción”, comentó Andrei. “Esto demuestra que podemos aplicar nuestra plataforma a una amplia gama de procesos químicos, más allá de la simple conversión de desechos. Al diseñar cuidadosamente la superficie del catalizador, podemos influir en los productos que generamos, haciendo el proceso más selectivo”.

Aunque la selectividad actual para convertir CO? en hidrocarburos ronda el 10%, los investigadores son optimistas respecto a mejorar el diseño del catalizador para aumentar la eficiencia. El equipo imagina aplicar su plataforma a reacciones orgánicas aún más complejas, abriendo la puerta a innovaciones en la producción sostenible de productos químicos. Con mejoras continuas, esta investigación podría acelerar la transición hacia una economía circular y neutra en carbono.

“Este proyecto es un excelente ejemplo de cómo las asociaciones de investigación global pueden conducir a avances científicos significativos”, concluyó Andrei. “Al combinar la experiencia de Cambridge y Berkeley, hemos desarrollado un sistema que podría transformar la manera en que producimos combustibles y productos químicos de forma sostenible”.

La investigación recibió el apoyo del Programa Winton para la Física de la Sostenibilidad, el St John’s College, el Departamento de Energía de EE. UU., el Consejo Europeo de Investigación y UK Research and Innovation (UKRI).