Combustibles líquidos limpios a partir de energía solar, CO2 y agua

• Los investigadores han desarrollado una tecnología alimentada por energía solar que convierte el dióxido de carbono y el agua en combustibles líquidos que se pueden añadir directamente al motor de un coche como combustible de emergencia.

Investigadores de la Universidad de Cambridge han aprovechado el poder de la fotosíntesis para convertir el CO2, el agua y la luz solar en combustibles multicarbono -etanol y propanol- en un solo paso. Estos combustibles tienen una alta densidad energética y se pueden almacenar o transportar fácilmente.

A diferencia de los combustibles fósiles, estos combustibles solares producen cero emisiones netas de carbono y son completamente renovables. Además, a diferencia de la mayoría del bioetanol no desvían tierras agrícolas de la producción de alimentos.

Aunque la tecnología está todavía a escala de laboratorio los investigadores dicen que sus ‘hojas artificiales’ son un paso importante en la transición hacia una economía lejos de los combustibles fósiles. Los resultados se publican en la revista Nature Energy.

El bioetanol se presenta como una alternativa más limpia a la gasolina ya que se fabrica a partir de plantas en lugar de combustibles fósiles. La mayoría de los coches y camiones que circulan hoy por las carreteras funcionan con gasolina que contiene hasta un 10% de etanol (combustible E10). Estados Unidos es el mayor productor mundial de bioetanol: según el Departamento de Agricultura de EE.UU., casi el 45% de todo el maíz cultivado en EE.UU. se utiliza para la producción de etanol.

“Los biocombustibles como el etanol son una tecnología controvertida porque ocupan tierras agrícolas que podrían usarse para cultivar alimentos en su lugar”, dijo el profesor Erwin Reisner quien dirigió la investigación.

Durante varios años el grupo de investigación de Reisner, con sede en el Departamento Yusuf Hamied de Química, ha estado desarrollando combustibles sostenibles y sin carbono inspirados en la fotosíntesis -el proceso por el cual las plantas convierten la luz solar en alimento- utilizando hojas artificiales.

Hasta la fecha, estas hojas artificiales solo han podido producir productos químicos simples como el syngas una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono que se utiliza para producir combustibles, productos farmacéuticos, plásticos y fertilizantes. Pero para hacer más práctica la tecnología sería necesario poder producir productos químicos más complejos directamente en un solo paso alimentado por energía solar.

Ahora, la hoja artificial puede producir directamente etanol y propanol limpios sin necesidad del paso intermedio de producir syngas.

Los investigadores desarrollaron un catalizador basado en cobre y paladio. El catalizador se optimizó de tal manera que permitió a la hoja artificial producir productos químicos más complejos específicamente los alcoholes multicarbono etanol y n-propanol. Ambos alcoholes son combustibles de alta densidad energética que se pueden transportar y almacenar fácilmente.

Otros científicos han podido producir productos químicos similares utilizando energía eléctrica pero esta es la primera vez que se producen productos químicos tan complejos con una hoja artificial utilizando solo la energía del Sol.

“Hacer brillar la luz solar sobre las hojas artificiales y obtener combustible líquido a partir del dióxido de carbono y el agua es una muestra de química increíble”, dijo el Dr Motiar Rahaman primer autor del artículo. “Normalmente, cuando intentas convertir el CO2 en otro producto químico utilizando un dispositivo de hoja artificial casi siempre obtienes monóxido de carbono o syngas, pero aquí hemos podido producir un combustible líquido práctico solo utilizando el poder del Sol. Es un avance emocionante que abre nuevas vías en nuestro trabajo”.

En la actualidad, el dispositivo es una prueba de concepto y muestra solo una eficiencia modesta. Los investigadores están trabajando para optimizar los absorbentes de luz para que puedan absorber mejor la luz solar y optimizar el catalizador para que pueda convertir más luz solar en combustible. También será necesario realizar más trabajos para hacer que el dispositivo sea escalable para que pueda producir grandes volúmenes de combustible.

“Aunque todavía queda trabajo por hacer, hemos mostrado lo que estas hojas artificiales son capaces de hacer”, dijo Reisner. “Es importante mostrar que podemos ir más allá de las moléculas más simples y hacer cosas que sean directamente útiles mientras nos alejamos de los combustibles fósiles”.

La investigación fue apoyada en parte por la Comisión Europea Marie, Skłodowska-Curie Fellowship, el Cambridge Trust y el Winton Programme for the Physics of Sustainability. Erwin Reisner es Fellow y Motiar Rahaman es Research Associate del St John’s College».

Motiar Rahaman et al. ‘Solar-driven liquid multi-carbon fuel production using a standalone perovskite-BiVO4 artificial leaf.’ Nature Energy (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01262-3

Fuente: University of Cambridge