Fotosíntesis Artificial

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Resumen de la Fotosíntesis Artificial

A modo de resumen, la fotosíntesis artificial es un proceso que quiere reproducir la fotosíntesis natural donde a partir de dióxido de carbono y agua se pueden obtener moléculas, productos orgánicos, que pueden tener un uso como combustibles (por ejemplo metano, metanol, ácido fórmico…) u obtener otras moléculas que sirvan para generar en un segundo proceso otros productos, por ejemplo gas de síntesis (una mezcla de moléculas de monóxido de carbono y moléculas de hidrógeno) base de partida para muchos procesos químicos. A los combustibles generados de esta forma se les denomina Combustibles Solares (Solar Fuels en el idioma de Shakespeare).

La tecnología aprovecha la propiedad especial de ciertos materiales, entre los que se encuentran los semiconductores, por la que son capaces de transformar la energía lumínica en energía química. Es decir transformar los fotones de la luz (solar o artificial) en moléculas como las anteriormente mencionadas que almacenan la energía en su estructura.

Cuando un fotón incide en la superficie del semiconductor da lugar a un movimiento en el que un electrón de la superficie que se encuentra en un estado de energía bajo pasa a un estado de energía alto dejando un hueco en donde estaba, la formación de estos pares electrón – hueco son los responsables de que se den las reacciones de conversión del CO2. Cuando la molécula de CO2 interacciona con la superficie iluminada del semiconductor toma un electrón o electrones para dar lugar a una molécula o moléculas más complejas, a este proceso lo llamamos reducción de la molécula de CO2. A este tipo de proceso se le denomina también reacción fotoquímica.

A la vez el hueco que queda en ese estado de energía menor al haberse movido el electrón también puede dar lugar a reacciones fotoquímicas, en este lugar se puede dar la reacción de conversión de la molécula de agua en oxígeno (a este proceso se le denomina oxidación y en él se generan no solo moléculas de oxígeno también electrones).

Mediante este proceso sencillo pero a la vez complicado de realizar somos capaces de reproducir la ecuación básica de la fotosíntesis natural, por la que CO2 se transforma en moléculas más complejas y el agua da lugar a oxígeno.

Esta tecnología, la fotosíntesis artificial, que nació en el siglo XX pero que esperamos que sea una realidad en el siglo XXI todavía tiene un camino que recorrer de investigación y desarrollo, sobre todo en relación a encontrar los materiales adecuados, semiconductores u otros, para que se den estas reacciones fotoquímicas. Estos materiales son caros de producir hoy y se necesita superficie para instalarlos a modo de placas solares como las que se utilizan para generar electricidad; pero al igual que esta tecnología de generación de electricidad ha disminuido sus costes de forma exponencial en los últimos años se espera que también lo haga la tecnología de fotosíntesis artificial.

También se está investigando la tecnología de fotosíntesis artificial para la producción de hidrógeno mediante la descomposición de agua (water splitting), uno de los combustibles del futuro.

La energía del Sol es gratis pero para que esta tecnología sea viable los materiales deben de ser económicos y tener un alto rendimiento en la conversión algo que se podrá producir si se recorre ese proceso de investigación y desarrollo. Su utilidad esta fuera de duda al dar valor a una energía de la que disponemos en todos los países y hoy por hoy está siendo poco utilizada.

Antes de explicar que es la fotosíntesis artificial en detalle, bien vale conocer cuál es el proceso natural por el que las plantas superiores, algas y algunas bacterias crecen, la Fotosíntesis.

¿Qué es la Fotosíntesis?

Básicamente la fotosíntesis es un proceso de transformación de energía lumínica (la luz del Sol o la luz artificial) en energía química; la materia inorgánica (dióxido de carbono (CO2) y agua en unos casos y CO2 y sulfuro de hidrógeno (H2S) en otros) que con la luz es transformada en materia orgánica, parte constituyente de los seres vivos. A los seres vivos capaces de aprovechar la luz para crecer se les denomina fotoautótrofos.

El proceso fotosintético sabemos que se ha dado en el planeta Tierra desde hace miles de millones de años. Como decíamos en esta misma web en el origen de la vida en el universo, se ha demostrado la existencia de bacterias fotosintéticas desde hace 3.500 millones de años en registros fósiles de estromatolitos descubiertos en Australia.

Existen dos tipos de procesos fotosintéticos, dependiendo de si en el interviene el agua o el sulfuro de hidrógeno como dadores de electrones. Al proceso en el que interviene el agua se le llama fotosíntesis oxigénica ya que en la reacción se produce oxígeno, proceso realizado por las plantas superiores, las algas y algunos tipos de bacterias (cianobacterias); al otro proceso en el que se produce como producto residual azufre se le denomina fotosíntesis anoxigénica, realizado por bacterias purpúreas y por bacterias verdes. fotosintesis artificial cloroplastos

Para llevar a cabo el proceso fotosintético las células vegetales disponen de unos orgánulos, los cloroplastos, ricos en una sustancia denominada clorofila de color verde, que son los encargados de realizar el proceso fotosintético.

La estructura de los cloroplastos es compleja, en el interior rodeada por una membrana interna existe una camara denominada estroma donde se encuentra todo lo necesario para llevar a cabo el proceso fotosintético (ADN, ribosomas, enzimas, peptidos , etc) y unas estructuras denominadas tilacoides que disponen de pigmentos fotosintéticos.

Un pigmento es cualquier sustancia que absorba la luz. El color del pigmento está dado por la longitud de onda no absorbida(y por lo tanto reflejada). Los pigmentos negros absorben todas las longitudes de onda que les llegan. Los pigmentos blancos reflejan prácticamente toda la energía que les llega. Los pigmentos tienen un espectro de absorción característico de cada uno de ellos. La clorofila, el pigmento verde común a todas las células fotosintéticas, absorbe todas las longitudes de onda del espectro visible, excepto las de la percepción global del verde, detectado por nuestros ojos. Es la clorofila y el resto de pigmentos los que al recibir la luz , pasan a un estado de mayor contenido energético , liberando electrones para su transporte y posterior utilización en las funciones biológicas de los organismos fotosintéticos.

En los tilacoides se encuentran las enzimas encargadas de tomar la fotosintesis artificial molecula de atp energía lumínica, transportar los electrones y transformar esa energía lumínica en energía química mediante la formación de moléculas de ATP, acrónimo de adenosine triphosphate o trifosfato de adenoxina en español.

La formación del ATP se realiza en presencia de luz a partir de una molécula de ADP (difosfato de adenoxina) a la que se une una molécula de fosfato. Una molécula de baja energía como el ADP se carga de energía en presencia de fosfato para dar lugar a una molécula de alta energía como el ATP. Luego ya tenemos transformada la energía lumínica en energía química. Esta energía en forma de molécula de ATP será utilizada por la planta para realizar el resto del proceso por el cual las plantas superiores , las algas y bacterias crecen. No es la única energía que utilizan estos organismos vivos para crecer pero si es la fundamental.

El proceso inverso de transformación del ATP a ADP, liberando un grupo fosfato, da lugar a una importante liberación de energía que es la que aprovechan los seres vivos para realizar sus funciones biológicas. A este proceso se le denomina hidrólisis de la molécula de ATP.

fotosintesis artificial reaccion adp a atp

Resumiendo, en los tilacoides de los cloroplastos se da una función cíclica por la que las moléculas de ADP en presencia de iones fosfato toman la energía lúminica para transformarse en ATP que por hidrólisis libera una elevada fotosintesis artificial fotofosforilacion cantidad de energía química para volver a transformarse en ADP, energía que es aprovechada por la planta para realizar sus funciones biológicas. Un esquema similar se puede describir para el sistema NADP+ / NADPH.

Pero no son las únicas reacciones que se producen en el proceso fotosintético. La fotosíntesis es un proceso complejo que se desarrolla en dos etapas. La primera es la etapa lumínica, el proceso dependiente de la luz, en la que se fabrican moléculas portadoras de energía para usarse en la segunda etapa, como el ATP que hemos visto anteriormente o como la molécula de NADPH, nicotinamida adenina dinucleótido fosfato. En la segunda etapa independiente de la luz (etapa oscura) los productos de la primera etapa son utilizados para formar los enlaces C - C de los carbohidratos / azucares.

En la fotosíntesis oxigénica, en el proceso denominado de fosforilación, además el agua se oxida cediendo electrones y dando como residuo oxígeno.

En la etapa oscura se da lo que se llama proceso de fijación del carbono. El CO2 de la atmósfera o el disuelto en el agua se reduce transformandose en carbohidratos de formula general ([CH2O]n), azucares. El CO2 es fijado por la enzima RuBisco.

Al proceso de la fase oscura se le denomina ciclo de Calvin – Benson, el descubrimiento del proceso le valió a Calvin el premio novel en 1961.

Todo este sistema complejo y que llevan a cabo los seres vivos de forma tan eficiente, en el que utilizan organos complejos, multiples moléculas y multiples reacciones se puede resumir en la fotosíntesis oxigénica a la siguiente formula:

Es decir seis moléculas de dióxido de carbono reaccionan con seis moléculas de agua para dar una molécula de azucar y seis moléculas de oxígeno.

Se puede decir a modo de resumen del proceso fotosintético que hay un espacio en las células vegetales donde se produce la reducción, conversión del CO2, tomando electrones y protones para dar lugar a una molécula de azucar. Y hay un espacio donde el agua se oxida liberando oxígeno y cediendo protones y electrones. Ambos procesos están interconectados.

¿Entonces qué es la fotosíntesis artificial?

La fotosíntesis artificial es una tecnología novedosa, en fase de investigación y desarrollo, que quiere reproducir el proceso por el que a partir de CO2 y agua y usando la luz como única fuente de energía podemos obtener productos más complejos y con alto valor añadido

En definitiva aprovechar una energía como la del Sol para transformarla en energía química , almacenada en forma de productos, combustibles que puedan ser utilizados para automoción o “building blocks” , a semejanza de ladrillos que nos permiten construir, producir productos todavía más complejos.

La fotosíntesis artificial o la reducción fotocatalítica del CO2 como tambien se le conoce, debe contener componentes estructurales y funcionales que de alguna forma simulen el sistema natural, la hoja donde se produce la fotosíntesis.

¿Qué debe de contener una “hoja artificial”?

1. Una unidad que a modo de pigmento sea capaz de absorber la energía lumínica y realizar el transporte de electones.

2. Un lugar de reacción donde se produzca la separación de cargas

3. Y una zona catalítica donde se produzcan las reacciones de fijación del CO2 y otra zona donde se rompa la molécula de agua.

Todos los componentes deben estar perfectamente acoplados para que se den el transporte de electrones y las reacciones de óxido - reducción.

La producción de combustibles y productos químicos por vía fotocatalítica a partir de CO2, mediante fotosíntesis artificial implica el acoplamiento de dos procesos:

1. Por un lado, un proceso multielectrónico para la conversión del CO2, que sucede de forma muy rapida, siendo una etapa dificil de controlar. La energía necesaria para producir los electrones necesarios será aportada por la luz solar.

2. El balance de cargas eléctricas positivas y negativas, debe ser neutro en el proceso global por lo que otros compuestos deben ser oxidados (donadores de electrones). Estos donadores tienen que ser compuestos abundantes y económicos para dar lugar a una alta producción de combustibles sin un elevado coste, dado que terminan siendo consumidos. El donador de electrones más adecuado es el agua, al igual que ocurre durante la fotosíntesis natural.

Un poco de historia

El termino Fotocatálisis aparece en las publicaciones científicas en 1911. Eibner utiliza el concepto en sus estudios sobre el óxido de titanio (TiO2). También en las mismas fechas en los trabajos de degradación de ácido oxálico en presencia de iluminación de Bruner y Kozak, y de Landau. El verdadero interés por esta tecnología despunta después de los trabajos de Fujishima y Honda en 1972 con la publicación de su artículo la fotólisis electroquímica del agua sobre un electrodo de óxido de titanio (rutilo), en el que se producía hidrógeno a partir de luz UV. Este estudio abrió la puerta a la utilización de semiconductores como el TiO2 como materiales fotoactivos.

En 1979 se publican los primeros trabajos de conversión de CO2 , en medio acuoso y sobre sistemas catalíticos, basados en semiconductores. Estos primeros resultados experimentales, demuestran la viabilidad de conversión del CO2 en productos orgánicos, como el formaldehido, ácido fórmico , metanol y metano. Con el tiempo, el desarrollo tecnológico, está mejorando el rendimiento de CO2 en productos útiles para la sociedad y también la economía del proceso. El semiconductor más utilizado hasta el momento es el óxido de titanio.

En 2010 el Departamento de la Energía del Gobierno Americano ( Department of Energy_DOE) crea el Centro para el estudio de la Fotosintesis Artificial (Joint Centre for Artificial Photosynthesis_JCAP).

¿Qué es un semiconductor?¿Cómo funciona en la fotosíntesis artificial?

No todos los fotocatalizadores son semiconductores , pero sí son los materiales fotoactivos más investigados por su especial interacción con la luz debida a su particular estructura electrónica.

Los semiconductores constituyen una familia especial de materiales, su utilización empezó a despuntar en la segunda mitad del siglo XX con la revolución de las computadoras. Constituyen la parte básica de transistores y diódos presentes en multiples sistemas electrónicos desde computadoras a teléfonos móviles. Tambien en el ámbito de la energía se utilizan en las celdas fotovoltaicas dada su interacción especial con la luz para la generación de energía eléctrica. fotosintesis artificial semiconductor

Un semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como un aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. El elemento semiconductor más usado es el silicio, el segundo el germanio, aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos GaAs, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd. La característica común a todos ellos es que son tetravalentes. Existen cuatro tipos de semiconductores: intrínsecos, extrínsecos , tipo N y tipo P.

En un cristal de un semiconductor como por ejemplo de silicio o de germanio que forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos, cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente algunos electrones pueden absorber la energía necesaria para saltar a la banda de conducción ( un estado de mayor energía) dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia. El proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer, desde el estado energético correspondiente a la banda de conducción, a un hueco en la banda de valencia liberando energía.

A este fenómeno se le denomina recombinación. A una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares e^- / h⁺, y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de electrones y huecos permanece constante.

En los semiconductores, ambos tipos de portadores (electrones y huecos) contribuyen al paso de la corriente eléctrica. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos, originando una corriente de huecos.

¿Cómo es el proceso de conversión (fotoreducción) de CO2 ?

La fotoreducción de CO2 se fundamenta en la excitación provocada por la radiación lumínica de un electrón desde la banda de valencia hasta la banda de conducción, dando lugar a la creación de un par electrón (e^-) – hueco (h⁺).

fotosintesis artificial esquema de interaccion

Si la energía asociada al par electrón-hueco es suficientemente elevada (suficiente energía de band gap del semiconductor seleccionado) este proceso puede utilizarse para dar lugar a la oxidación de la molécula de agua en oxígeno y la reducción de la molécula de CO2 a diferentes productos dependiendo de esa energía.

Por un lado, la posición energética del hueco en la banda de valencia debe ser lo suficientemente positivo para que el hueco fotogenerado pueda intervenir en la reacción química correspondiente a la oxidación del agua. Y, por el contrario, la posición energética del electrón en la banda de conducción debe ser lo suficientemente negativo para que este pueda intervenir en la reacción química correspondiente a la reducción del agua o del dióxido de carbono.

fotosintesis artificial bandas semiconductores

No es suficiente que la energía del ancho de banda baste para generar el par electrón-hueco con la adecuada energía asociada, sino que las posiciones energéticas de las bandas de conducción y valencia en relación a las posiciones energéticas de las reacciones de oxidación y reducción sean también las adecuadas para poder jugar un papel importante en el proceso fotocatalítico.

Una variante de la fotocatalisis es lo que se denomina fotoelectrocatalisis donde el semiconductor sensible a la luz se dispone como un electrodo de una celda electroquímica mientras que el otro electrodo es convencional. Este sistema permite mejorar la eficiencia del proceso al disminuir la posibilidades de la recombinación del par hueco - electrón. La celda al igual que cualquier celda electroquímica tiene un electrolito separando los electrodos y una membrana de intercambio de iones.

fotosintesis artificial celda fotoelectrocatalitica

En esta variante hay un aporte de voltaje para polarizar la celda. Si este aporte se hace con una celda solar a modo de placa fotovoltaica el balance de almacenamiento de energía solar en energía química será completo.

¿El Sol como fuente de energía?

La luz del Sol es la mayor fuente de energía de la Tierra y nos llega en forma de radiación, la Tierra recibe unos 174 petavatios (174 x 10¹⁵ vatios). El 70% de la radiación es absorbida y utilizada en los distintos procesos que se dan en la Tierra como mantener la temperatura ambiente, evaporar el agua, en la fotosintesis de las plantas y otros organismos (solo representa el 0,08% aproximadamente de la energía recibida), generar vientos o disiparse en los oceanos.

El Sol es el principal factor de influencia en el clima de la Tierra. La radiación solar se divide en tres zonas de acuerdo a las energias y longitudes de onda: región del ultravioleta (UV), región del visible a la que el ojo humano es sensible y región del infrarrojo (IR). Al conjunto se le denomina espectro de la radiación solar.

fotosintesis artificial longitud de onda

La radiación es absorbida por los compuestos de distinta forma : CO2 , vapor de agua en el infrarrojo cercano; la mayoría de los semiconductores en la región ultravioleta y los pigmentos de las plantas en el visible.

La fotosíntesis natural es el proceso que mantiene la vida en la Tierra y sin embargo es un proceso poco eficiente en terminos de energía, las plantas terrestres pueden llegar a aprovechar la luz solar con eficiencias muy bajas de entorno al 4 % , algo más las algas entorno al 7% .

Se prevé que mediante la fotosíntesis artificial en sus distintas variantes se pueda duplicar el aprovechamiento de la luz solar , con un aumento en los rendimientos de conversión de energía solar a energía química y un aumento en la selectividad del proceso.

El aprovechamiento de la radiacción solar para la producción de combustibles solares u otros productos a partir de la fotosíntesis artificial esta lejos de ser una realidad económica , necesita de grandes cambios, sobre todo en materiales, y por lo tanto de inversiones en investigación y desarrollo; pero hoy se la ve con un futuro más brillante con los últimos avances y el incremento en los grupos de trabajo a nivel mundial; y posiblemente sea una de las tecnologias del siglo XXI que nos permita a la Humanidad conseguir el reto de utilizar de forma sostenible una fuente de energía abundante en todos los paises.

Referencias bibliográficas de la Fotosíntesis Artificial

Fotosíntesis

Fotosíntesis Artificial

Energía Solar

The Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP)

Solar Fuel

Royal Society of Chemistry

Royal Society of Chemistry Press Office

BBC Radio 4 Frontiers: Artificial Photosynthesis

The Artificial Leaf

Global Eneergy Perspectives

The Photosynthetic Process

Solar Hydrogen Energy, Artificial Photosynthesis, Production Breakthrough

Photocatalysis, Topics in Current Chemistry 303 ,Springer C.A.Bignozzi 2011.

Design of Avanced Photocatalytic Materials for Energy and Environmental Applications , Green Energy and Technology, Springer Mª Dolores Hernández – Alonso, J.M Coronado y otros. 2013