Una “hoja artificial” que transforma dióxido de carbono en combustible

El principal inconveniente de la energía solar es que no se puede producir bajo demanda. Es posible guardar la electricidad en baterías, pero son grandes, pesadas y de autonomía limitada. En la búsqueda de una solución más eficiente, los investigadores han decidido emular a las plantas, expertas en almacenar la energía del Sol.

“Hemos creado un prototipo capaz de hacer fotosíntesis artificial”, afirma José Ramón Galán-Mascarós, científico del Instituto Catalán de Investigación Química (ICIQ), en Tarragona. “Con la energía de la luz del sol, transforma dióxido de carbono y agua en un combustible”. El equipo de Galán-Mascarós capitanea A-Leaf, un grupo de centros de investigación dotados con ocho millones de euros por la Comisión Europea para desarrollar esta tecnología.

Ante la inmadurez tecnológica de las baterías de litio y de los supercondensadores, muchos consideran esta la única forma factible de almacenar energía limpia

En su laboratorio del ICIQ se somete a las pruebas finales una de las “hojas artificiales” construidas para capturar la energía del sol. La celda electroquímica, como se llama técnicamente, es un dispositivo cilíndrico encerrado en un prisma translúcido, no más grande que una lata de legumbres. Varios tubos suministran reactivos a sus dos compartimentos separados por una membrana, el ánodo y el cátodo, mientras que una pequeña celda fotovoltaica genera la diferencia de potencial entre los dos necesaria para propiciar las reacciones químicas.

En el ánodo se oxidan moléculas de agua (H2O), liberando oxígeno gaseoso (O2). En el cátodo se produce la reducción de dióxido de carbono (CO2), para dar lugar a moléculas orgánicas que almacenan energía en sus enlaces químicos; la energía se puede liberar quemando este producto. El prototipo que han construido genera, concretamente, ácido fórmico (H-COOH), un compuesto que actualmente tiene poco interés comercial, pero los investigadores señalan que es una prueba de concepto y que las celdas electroquímicas finales podrán producir otros combustibles.

Energía sin huella de carbono

Otras dos réplicas del prototipo se estudian en Mesina (Italia) y en Zúrich (Suiza), ya que el proyecto empezó en 2016 y ahora entra en su fase final: “Integraremos todos los componentes, estudiaremos su eficiencia, su productividad y los costes que puede tener el proceso a escala industrial”, explica Galán-Mascarós. Actualmente, la hoja artificial almacena en torno al 10% de la energía lumínica que recibe, una eficiencia dos o tres veces mayor que la de una hoja vegetal.

Como el proceso es circular, tiene una huella de carbono casi nula, a diferencia de la quema de combustibles fósiles

La forma más realista de utilizar estas celdas solares electroquímicas, según los investigadores, será para la producción local de combustible a pequeña escala —por ejemplo en lugares remotos, en gasolineras o en fábricas— pero no necesariamente en grandes centrales eléctricas. La fotosíntesis artificial no elimina dióxido de carbono de la atmósfera, ya que produce combustibles que, al quemarse, vuelven a liberar este gas de efecto invernadero. Sin embargo, como el proceso es circular, tiene una huella de carbono casi nula, a diferencia de la quema de combustibles fósiles.

Por otra parte, aunque el dióxido de carbono es el gas de efecto invernadero más importante por su abundancia, su concentración en la atmósfera es de 0,04%, diminuta en comparación con la del nitrógeno (78%) o la del oxígeno (21%). Por eso, la fotosíntesis artificial tiene como objetivo a corto y medio plazo aprovechar el dióxido de carbono directamente en los lugares donde se produce: principalmente donde haya chimeneas que concentran este gas. Según Galán-Mascarós, “la captura de CO2 es un problema, sobre todo económico”, porque la tecnología para absorber el gas de la atmósfera es cara.

Del laboratorio a la industria

El trabajo principal de A-Leaf es de investigación y los resultados científicos son públicos, pero el consorcio también ha registrado patentes en un primer paso hacia la comercialización de la tecnología. Según Nuria López, química del ICIQ que también participa en el proyecto, urge la transferencia de esta ciencia a la industria europea. “Si nosotros, Europa, no somos capaces de dimensionar este tipo de dispositivo a una escala piloto y luego a una escala industrial, en diez años China lo habrá hecho por nosotros. Esto ya ha pasado, por ejemplo con los paneles solares”, advierte la investigadora.

López lidera el grupo de química teórica que, utilizando técnicas de cribado rápido con superordenadores, ha identificado los materiales candidatos para construir el dispositivo. Los elementos escogidos son catalizadores que favorecen las reacciones químicas en cada compartimento de la celda y, para garantizar su utilidad industrial, son sólidos y estables a temperatura ambiente y presión atmosférica.

La forma más realista de utilizar estas celdas solares electroquímicas, según los investigadores, será para la producción local de combustible a pequeña escala

En la elección, los científicos han descartado todos los metales considerados “críticos”, bien por ser muy caros, como el platino, o bien porque su suministro aviva conflictos geopolíticos, como es el caso del cobalto o del litio. Al final, se han decantado por un catalizador para el ánodo basado en hierro y níquel, estable y eficiente en las condiciones de la celda. Ahora ensayan la viabilidad del cátodo; aquí han escogido un material de cobre dopado con azufre, que funciona bien para reducir el CO2 y generar compuestos de un solo carbono, como es el ácido fórmico.

A nivel mundial, varios proyectos estudian la posibilidad de implementar la fotosíntesis artificial en los próximos años. Es una tecnología que ya anticipó el químico italiano Giacomo Luigi Ciamician a principios del siglo XX. Ante la inmadurez tecnológica de las baterías de litio y de los supercondensadores, muchos consideran esta la única forma factible de almacenar energía limpia. “Nosotros pensamos que debería haber, dentro de la Green Deal [el programa de transición energética europeo], un apoyo grande a la conversión de energías renovables en energías químicas”, concluye López.

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