“Si vamos a construir una economía circular y sostenible, la industria química es un problema grande y complejo que debemos resolver”, afirmó el profesor Erwin Reisner del Departamento Yusuf Hamid de Cambridge, quien dirigió la investigación. “Necesitamos encontrar formas de desfosilizar este importante sector, que produce tantos productos importantes que todos necesitamos. Si podemos hacerlo bien, es una gran oportunidad”.
Ahora, un equipo dirigido por la Universidad de Cambridge está explorando métodos innovadores que finalmente podrían “desfosilizar” esta importante industria.
Su avance implica un dispositivo híbrido que combina polímeros orgánicos que absorben la luz y enzimas bacterianas para convertir la luz solar, el agua y el dióxido de carbono en formato, un combustible limpio que puede impulsar reacciones químicas adicionales.
Esta “hoja semiartificial” replica la fotosíntesis, el proceso natural que utilizan las plantas para convertir la luz solar en energía, y funciona completamente por su propia energía. A diferencia de diseños anteriores que dependían de absorbentes de luz tóxicos o inestables, este nuevo modelo biohíbrido utiliza materiales no tóxicos, funciona de manera más eficiente y es estable sin aditivos adicionales.
En experimentos de laboratorio, el equipo convirtió con éxito el dióxido de carbono en formato utilizando la luz solar y luego lo aplicó directamente en una reacción “dominó” para sintetizar un compuesto valioso utilizado en medicina, logrando un alto rendimiento y pureza.
Según datos publicados zoológicoEste es el primer caso en el que semiconductores orgánicos han servido como material capturador de luz en un sistema biohíbrido, allanando el camino para una nueva generación de hojas artificiales ecológicas.
La industria química sigue siendo un pilar de la economía global y produce una amplia gama de productos, desde productos farmacéuticos y fertilizantes hasta plásticos, pinturas, productos electrónicos, agentes de limpieza y cosméticos.
“Si vamos a construir una economía circular y sostenible, la industria química es un problema grande y complejo que debemos resolver”, afirmó el profesor Erwin Reisner del Departamento Yusuf Hamid de Cambridge, quien dirigió la investigación. “Necesitamos encontrar formas de desfosilizar este importante sector, que produce tantos productos importantes que todos necesitamos. Si podemos hacerlo bien, es una gran oportunidad”.
El grupo de investigación de Reisner se especializa en el desarrollo de hojas artificiales, que convierten la luz solar en combustibles y productos químicos a base de carbono sin depender de combustibles fósiles. Pero muchos de sus diseños anteriores se basaban en catalizadores sintéticos o semiconductores inorgánicos, que se degradan rápidamente, desperdician gran parte del espectro solar o contienen ingredientes tóxicos como el plomo.
“Si podemos eliminar los ingredientes tóxicos y empezar a utilizar ingredientes orgánicos, terminaremos con una reacción química limpia y un único producto final, sin efectos secundarios no deseados”, afirmó la coautora primera, la Dra. Celine Yeung, quien completó la investigación como parte de su trabajo de doctorado en el laboratorio de Reisner. “Este dispositivo combina lo mejor de ambos mundos: los semiconductores orgánicos son sintonizables y no tóxicos, mientras que los biocatalizadores son altamente selectivos y eficientes”.
El nuevo dispositivo combina semiconductores orgánicos con enzimas de bacterias reductoras de sulfato, descomponiendo el agua en hidrógeno y oxígeno o convirtiendo el dióxido de carbono en formiato.
Los investigadores también abordaron un desafío de larga data: la mayoría de los sistemas requieren aditivos químicos, conocidos como tampones, para mantener las enzimas en funcionamiento. Pueden estropearse rápidamente y limitar la estabilidad. Al incorporar una enzima auxiliar, la anhidrasa carbónica, en una estructura porosa de titania, los investigadores permitieron que el sistema funcionara en una solución simple de bicarbonato, como agua con gas, sin aditivos volátiles.
“Es como un gran rompecabezas”, dijo el coautor Dr. Yongpeng Liu, investigador postdoctoral en el laboratorio de Reisner. “Tenemos todos estos componentes diferentes que estamos tratando de reunir para un solo propósito. Nos tomó mucho tiempo comprender cómo se inmoviliza esta enzima en particular en un electrodo, pero ahora estamos comenzando a ver los frutos de este esfuerzo”.
“Al estudiar realmente cómo funcionan las enzimas, pudimos diseñar con precisión los componentes que forman las diferentes capas de nuestro dispositivo tipo sándwich”, dijo Yeung. “Este diseño hizo que las piezas trabajaran juntas de manera más efectiva, desde pequeñas nanoescalas hasta hojas artificiales”.
Los experimentos han demostrado que la hoja artificial genera altas corrientes y ha logrado una eficiencia casi perfecta al dirigir electrones a reacciones generadoras de combustible. El dispositivo duró con éxito más de 24 horas: más del doble que el diseño anterior.
Los investigadores esperan seguir desarrollando sus diseños para prolongar la vida útil del dispositivo y adaptarlo para que pueda producir una amplia variedad de productos químicos.
“Hemos demostrado que es posible fabricar dispositivos alimentados por energía solar que no sólo sean eficientes y duraderos, sino que también estén libres de materiales tóxicos o insostenibles”, afirma Reisner. “Esta podría ser una plataforma fundamental para producir combustibles y productos químicos ecológicos en el futuro; es una oportunidad real para hacer algo de química interesante e importante”.
La investigación fue apoyada en parte por la Agencia de Ciencia, Tecnología e Investigación de Singapur (A*STAR), el Consejo Europeo de Investigación, la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia, la Real Academia de Ingeniería y la Investigación e Innovación del Reino Unido (UKRI). Erwin Reisner es miembro del St John’s College de Cambridge. Celine Yeung es miembro del Downing College de Cambridge.
