La fotosíntesis artificial: un reto para mitigar el calentamiento global y asegurar el suministro energético
17 de junio de 2011
Según la AIE (Agencia Internacional de la Energía), para evitar daños catastróficos e irremediables al clima mundial se requiere una importante descarbonización de las fuentes de energía del mundo. A pesar de esta advertencia, el último informe ejecutivo realizado por la propia AIE refleja que en la actualidad las fuentes de energía de carácter fósil (petróleo, carbón y gas natural respectivamente) siguen aportando conjuntamente más del 70% de la energía primaria consumida. Si a este hecho añadimos que según las previsiones estimadas durante los próximos años no se esperan grandes cambios en el consumo de energía primaria, el panorama energético a medio-largo plazo no es muy halagüeño. Como respuesta a esta tendencia energética los gobiernos de todo el mundo se plantean nuevas líneas de actuación y políticas energéticas más sostenibles encaminadas a mitigar el cambio climático.
Una de las alternativas más prometedoras que se plantea como solución para mitigar el efecto invernadero y a la vez asegurar el suministro energético es la ‘fotosíntesis artificial’. El término fotosíntesis artificial se aplica a aquellos procesos que, inspirados en la fotosíntesis natural, utilizan la energía solar para producir combustibles o productos de valor añadido. Esto hace que la fotosíntesis artificial sea un proceso atractivo no sólo desde el punto de vista práctico y económico, sino también desde el punto de vista sostenible, ya que podría ayudar a paliar el calentamiento global.
Hidrógeno a partir de agua y fotorreducción de CO2
Los dos principales procesos que podrían ser catalogados como ‘fotosíntesis artificial’ son la producción de hidrógeno a partir de agua y la fotorreducción de CO2. Ambas etapas se basan en procesos fotocatalíticos, o lo que es lo mismo, una reacción catalítica que involucra la absorción de luz. Los catalizadores empleados en este tipo de procesos son materiales semiconductores con un ancho de banda de energía prohibida o ‘bandgap’ adecuado, capaces de absorber luz y generar pares electrón-hueco que reaccionen con especies activas en la superficie del catalizador y den lugar a la reacción fotocatalítica [1].
Durante el proceso de fotosíntesis, las plantas almacenan la energía de la luz solar en energía química a través de un ciclo de reacciones catalizadas por sistemas enzimáticos (orgánicos). De forma análoga, la fotosíntesis artificial trata de imitar el proceso natural mediante la absorción de luz por el material semiconductor (inorgánico) y la transformación de esa energía luminosa en combustibles, partiendo en ambos casos únicamente de CO2 y H2O.
En la fase luminosa de la fotosíntesis, tras la absorción de la luz solar por las plantas se produce la fotolisis de la molécula de agua, dando como productos resultantes H2 y O2 [2]. Este proceso equivaldría al denominado ‘water splitting’, en el cual mediante el empleo de un fotocatalizador adecuado y de una fuente luminosa, es posible dividir la molécula de agua formando O2 y H2, el cual puede ser empleado como vector energético.
Por otro lado, durante la fase oscura de la fotosíntesis tiene lugar la fijación del CO2 atmosférico que, junto con agua y la energía almacenada durante la fase anterior, es empleado para la síntesis de compuestos orgánicos como la glucosa [2]. En la fotosíntesis artificial esta etapa equivaldría a los procesos de fotorreducción de CO2, en que se emplean materiales semiconductores capaces de absorber radiación visible/UV y transferir esa energía a la molécula de CO2, para su posterior transformación en hidrocarburos de cadena corta que puedan ser empleados como combustibles, tales como el metano (CH4), metanol (CH3OH), etanol (CH3CH2OH) y ácido fórmico (HCOOH) [3].
Por lo tanto, el uso de fotosíntesis artificial es una alternativa muy interesante para la síntesis de combustibles ya que combina los procesos de fotorreducción de CO2 y ‘water splitting’ [4]. Estos procesos cuentan con el potencial de poder emplear dos de los recursos más abundantes en la Tierra, el agua y la luz solar, y reutilizar el CO2 que es emitido en otros procesos industriales.
No obstante, el progreso de estas tecnologías aún requieren de un importante esfuerzo en investigación y desarrollo para su futura viabilidad tanto a nivel económico como científico-técnico, especialmente mediante la optimización de fotocatalizadores adecuados para su uso dentro del rango de la región visible para que sean aptos en aplicaciones con luz solar. En definitiva, el desarrollo de estos procesos constituye una alternativa de valorización del CO2 muy interesante, que permitiría reducir los niveles de concentración atmosférica de este gas de efecto invernadero mediante su transformación en combustibles y productos de valor añadido.
Referencias bibiliográficas
[1] Usubharatana P, McMartin D, Veawab A, Tontiwachwuthikul P. Photocatalytic process for CO2 emission reduction from industrial flue gas streams. Ind. Eng. Res. 2006, 45, 2558-2568.
[2] Blankenship R. Mechanisms of Photosynthesis. Blackwell Science Ltd., 2002.
[3] Indrakanti VP, Kubicki JD, Schobert HH. Photoinduced activation of CO2 on Ti-based heterogeneous catalyst: current state, chemical physics-based insights and outlook. Energy Environ. Sci., 2009, 2, 745-758.
[4] Roy S, Varghese O, Paulose M, Grimes C. Toward Solar Fuels: Photocatalytic Conversion of Carbon Dioxide to Hydrocarbons. J. Am. Chem. Soc. 2010, 4, 1259-1278.
