Producción de hidrógeno limpio inspirada en las plantas
El hidrógeno podría revolucionar la matriz energética europea, proporcionar energía limpia y reducir la dependencia del continente de los combustibles fósiles. Sin embargo, más del 95 % de los métodos actuales de producción de hidrógeno generan grandes cantidades de gases de efecto invernadero, lo cual significa que aún no es limpio. En el proyecto CLEANH2, financiado por el Consejo Europeo de Investigación(se abrirá en una nueva ventana), los investigadores se inspiraron en la fotosíntesis de las plantas para desarrollar nuevas formas más limpias de generar hidrógeno. El equipo de CLEANH2, dirigido por Nicolas Boscher(se abrirá en una nueva ventana) en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Luxemburgo, diseñó una serie de polímeros que imitan el proceso de fotosíntesis, dividiendo el agua para obtener hidrógeno limpio. «Durante más de 3 000 millones de años, la naturaleza ha estado dividiendo el agua utilizando la luz solar», explica Boscher, coordinador del proyecto CLEANH2. «La división fotocatalítica del agua, también conocida como fotosíntesis artificial, utiliza la luz para dividir las moléculas de H2O en H2 y O2», explica.
Creación de polímeros fotosintetizadores
Para su nueva generación de polímeros que separan el agua, el equipo recurrió a moléculas conocidas como metaloporfirinas, compuestos precursores de la clorofila fotosintetizadora que se encuentra en las plantas. Las metaloporfirinas son una buena opción para la división del agua, ya que pueden cambiar fácilmente entre estados de oxidación para desencadenar reacciones electroquímicas y producir hidrógeno. Para crear sus nuevos fotocatalizadores poliméricos, los investigadores unieron metaloporfirinas (polimerizadas). Los polímeros resultantes son capaces de absorber la luz y convertirla en energía, lo cual permite que se produzcan reacciones electroquímicas para crear hidrógeno. «El enlace covalente conjugado que se forma entre las metaloporfirinas durante su polimerización garantiza un efecto cooperativo entre ellas, lo que facilita la transferencia de carga y potencia la actividad catalítica», explica Boscher. Sin embargo, la creación de estos polímeros no es sencilla. La síntesis y el uso práctico de los polímeros basados en metaloporfirinas se ven limitados por el hecho de que no se disuelven fácilmente en líquidos. Por lo tanto, el equipo adoptó un método diferente, trabajando cuando los compuestos se encuentran en estado gaseoso. Con este nuevo método, el equipo consiguió producir una serie de polímeros nuevos, sintetizados directamente en forma de película fina. Eso significa que los investigadores podrían analizar fácilmente su capacidad para dividir el agua y producir hidrógeno.
Exploración de otros procesos catalíticos
«Los metaloporfirinoides fueron seleccionados por la naturaleza para cumplir numerosas e importantes reacciones catalíticas: fotosíntesis por las clorofilas, respiración por los citocromos, vitamina B12 implicada en el metabolismo», señala Boscher. «La capacidad de diseñar con precisión las propiedades de las películas finas poliméricas basadas en metaloporfirinas, como las logradas en el proyecto CLEANH2, abre el camino para abordar otros procesos catalíticos importantes». Los investigadores se basarán ahora en los resultados para diseñar catalizadores poliméricos basados en metaloporfirinas que conviertan la luz solar y moléculas simples de materia prima en combustible o productos químicos avanzados. Ya han diseñado y desarrollado catalizadores de este tipo para la conversión selectiva y de alto rendimiento de nitratos, presentes en numerosos flujos de residuos, en amoníaco.
Revolucionar la capacidad europea de producir hidrógeno limpio
El plan consiste en sintetizar sustancias químicas aún más avanzadas, labor que actualmente cuenta con financiación de Horizonte en el proyecto SUN2CN, que Boscher también coordina. El objetivo de este proyecto es desarrollar un dispositivo autónomo Solar-to-X para convertir moléculas sencillas y de bajo valor energético presentes en los flujos de residuos en valiosos productos químicos de carbono-nitrógeno (C-N), utilizando la luz solar como única fuente de energía. «Los productos químicos C-N, como la urea y la metilamina, fundamentales para la agricultura y la industria farmacéutica, contribuyen significativamente a la salud humana y a la calidad de vida», afirma Boscher. «Si tiene éxito, el nuevo dispositivo eliminará la necesidad de recursos fósiles y la producción de amoníaco, que consume mucha energía», añade Boscher. «El proyecto SUN2CN aspira a lograr un gran avance en los sectores químico y energético».
