Inspiradas en la fotosíntesis, podrían operar a gran escala en el mar
Los investigadores, de la Universidad de Cambridge, diseñaron dispositivos ultradelgados y flexibles que se inspiran en la fotosíntesis, el proceso por el cual las plantas convierten la luz solar en alimento. Dado que los dispositivos autónomos de bajo costo son lo suficientemente livianos como para flotar, podrían usarse para generar una alternativa sostenible a la gasolina sin ocupar espacio en tierra.
Las pruebas al aire libre de las hojas livianas en el río Cam, cerca de sitios icónicos de Cambridge, como el Puente de los Suspiros, la Biblioteca Wren y la Capilla del King's College, demostraron que pueden convertir la luz solar en combustibles de manera tan eficiente como las hojas de las plantas.
Esta es la primera vez que se genera combustible limpio en el agua y, si se amplía, las hojas artificiales podrían usarse en vías fluviales contaminadas, en puertos o incluso en el mar, y podrían ayudar a reducir la dependencia de la industria naviera mundial de los combustibles fósiles.
Si bien las tecnologías de energía renovable, como la eólica y la solar, se han vuelto significativamente más baratas y más disponibles en los últimos años, para industrias como el transporte marítimo, la descarbonización es una tarea mucho más importante. Alrededor del 80% del comercio mundial se transporta en buques de carga propulsados por combustibles fósiles; sin embargo, el sector ha recibido muy poca atención en los debates sobre la crisis climática.
Durante varios años, el grupo de investigación del profesor Erwin Reisner en Cambridge ha estado trabajando para abordar este problema mediante el desarrollo de soluciones sostenibles para la gasolina que se basan en los principios de la fotosíntesis. En 2019, desarrollaron una hoja artificial que produce gas de síntesis, un intermediario clave en la producción de muchos productos químicos y farmacéuticos, a partir de la luz solar, el dióxido de carbono y el agua.
El prototipo anterior generaba combustible combinando dos absorbedores de luz con catalizadores adecuados. Sin embargo, incorporó sustratos de vidrio grueso y recubrimientos protectores contra la humedad, lo que hizo que el dispositivo fuera voluminoso.
"Las hojas artificiales podrían reducir sustancialmente el costo de la producción de combustible sostenible, pero dado que son pesadas y frágiles, son difíciles de producir a escala y transportar", dijo el Dr. Virgil Andrei del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, coautor del artículo.
"Queríamos ver hasta dónde podemos reducir los materiales que usan estos dispositivos, sin afectar su rendimiento", dijo Reisner, quien dirigió la investigación. "Si podemos recortar los materiales lo suficiente como para que sean lo suficientemente livianos como para flotar, entonces se abren formas completamente nuevas de usar estas hojas artificiales".
Para la nueva versión de la hoja artificial, los investigadores se inspiraron en la industria electrónica, donde las técnicas de miniaturización han llevado a la creación de teléfonos inteligentes y pantallas flexibles, revolucionando el campo.
El desafío para los investigadores de Cambridge era cómo depositar absorbentes de luz en sustratos livianos y protegerlos contra la infiltración de agua. Para superar estos desafíos, el equipo utilizó óxidos metálicos de película delgada y materiales conocidos como perovskitas, que se pueden recubrir sobre láminas flexibles de plástico y metal. Los dispositivos estaban cubiertos con capas a base de carbono repelentes al agua, delgadas como un micrómetro, que evitaban la degradación por humedad. Terminaron con un dispositivo que no solo funciona, sino que también parece una hoja real.
"Este estudio demuestra que las hojas artificiales son compatibles con las técnicas modernas de fabricación, lo que representa un primer paso hacia la automatización y la ampliación de la producción de combustible solar", dijo Andrei. "Estas hojas combinan las ventajas de la mayoría de las tecnologías de combustible solar, ya que logran el bajo peso de las suspensiones de polvo y el alto rendimiento de los sistemas cableados".
Las pruebas de las nuevas hojas artificiales mostraron que pueden dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, o reducir el CO2 a gas de síntesis. Si bien será necesario realizar mejoras adicionales antes de que estén listas para aplicaciones comerciales, los investigadores dicen que este desarrollo abre caminos completamente nuevos en su trabajo.
"Las granjas solares se han vuelto populares para la producción de electricidad; imaginamos granjas similares para la síntesis de combustible", dijo Andrei. "Podrían abastecer asentamientos costeros, islas remotas, cubrir estanques industriales o evitar la evaporación del agua de los canales de riego".
"Muchas tecnologías de energía renovable, incluidas las tecnologías de combustible solar, pueden ocupar grandes cantidades de espacio en la tierra, por lo que trasladar la producción a aguas abiertas significaría que la energía limpia y el uso de la tierra no compiten entre sí", dijo Reisner. "En teoría, se podría enrollar estos dispositivos y colocarlos en casi cualquier lugar, en casi cualquier país, lo que también ayudaría con la seguridad energética".
Los resultados se informan en la revista Nature: Floating perovskite-BiVO4 devices for scalable solar fuel production
