Científicos diseñan células solares que capturan CO2 y luz para producir combustible

• El nuevo dispositivo hace esencialmente el trabajo de las plantas
• Podría eliminar cantidades significativas de carbono de la atmósfera
• Además, el combustible resultante es de alta densidad energética

Las células solares convencionales convierten la luz solar en electricidad que debe almacenarse en baterías.

Investigadores de la Universidad de Illinois en Chicago (UIC), Estados Unidos, han diseñado una célula solar que convierte de forma barata y eficiente dióxido de carbono atmosférico directamente en combustible de hidrocarburo utilizable, sólo gracias a la luz del sol.

El hallazgo, que se detalla en un artículo publicado en la edición de este viernes de Science ha sido financiado por la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos y el Departamento de Energía de Estados Unidos. Los autores han presentado una solicitud de patente provisional.

A diferencia de las células solares convencionales, que convierten la luz solar en electricidad que deben almacenarse en baterías pesadas, el nuevo dispositivo hace esencialmente el trabajo de las plantas, convertir dióxido de carbono atmosférico en combustible, solucionando dos problemas cruciales a la vez.

“La nueva célula solar fotovoltaica es fotosintética. “

Una granja solar con esas "hojas artificiales" podría eliminar cantidades significativas de carbono de la atmósfera y producir combustible de alta densidad energética de manera eficiente. "La nueva célula solar fotovoltaica es fotosintética", dice el autor principal del estudio, Amin Salehi-Khojin, profesor asistente de Ingeniería Mecánica e Industrial en la UIC.

"En lugar de producir energía en una insostenible ruta unidireccional a partir de combustibles fósiles en gas de efecto invernadero, ahora podemos invertir el proceso y reciclar el carbono atmosférico en combustible usando luz solar", subraya.

Mientras que las plantas producen combustible en forma de azúcar, la hoja artificial suministra gas de síntesis, una mezcla de gas de hidrógeno y monóxido de carbono. El gas de síntesis o sintegas se pueden quemar directamente o convertirse en combustible diésel u otros combustibles de hidrocarburos.

“La capacidad de convertir el CO2 en combustible a un coste comparable a un galón de gasolina haría que los combustibles fósiles quedaran obsoletos. “

La capacidad de convertir el CO2 en combustible a un coste comparable a un galón de gasolina haría que los combustibles fósiles quedaran obsoletos. Las reacciones químicas que convierten CO2 en formas consumibles de carbono se llaman reacciones de reducción, lo contrario de la oxidación o la combustión.

Los ingenieros han estado explorando diferentes catalizadores para impulsar la reducción de CO2, pero hasta ahora estas reacciones han sido ineficientes y se basan en costosos metales preciosos como la plata. "Lo que necesitábamos era una nueva familia de productos químicos con propiedades extraordinarias", dice Salehi-Khojin.

Salehi-Khojin y sus compañeros de trabajo se centraron en una familia de compuestos nanoestructurados llamados dicalcogenuros de metales de transición -TMDCs- como catalizadores, vinculándolos con un líquido iónico no convencional como electrolito dentro de uno de dos compartimentos de una célula electroquímica de tres electrodos.

Catalizador mil veces más rápido

El mejor de varios catalizadores estudiados resultó ser diselenuro de tungsteno. "El nuevo catalizador es más activo y más capaz de romper los enlaces químicos del dióxido de carbono", apunta el investigador postdoctoral de UIC Mohammad Asadi, primer autor del artículo de 'Science'.

De hecho, detalla, el nuevo catalizador es mil veces más rápido que los catalizadores de metales nobles y alrededor de 20 veces más barato. Otros investigadores han utilizado catalizadores TMDC para producir hidrógeno por otros medios, pero no por reducción de CO2. El catalizador no pudo sobrevivir a la reacción.

"Los sitios activos del catalizador se envenenan y oxidan", describe Salehi-Khojin. El gran avance, a su juicio, es utilizar un fluido iónico denominado etil-metilimidazolio tetrafluoroborato, mezclado con agua al 50-50. "La combinación de agua y el líquido iónico forma un co-catalizador que preserva sitios activos del catalizador bajo duras condiciones de reacción de reducción", añade Salehi-Khojin.

Dos células fotovoltaicas de silicio

La hoja artificial de la UIC se compone de dos células fotovoltaicas de silicio de triple unión de 18 centímetros cuadrados para recoger la luz; un sistema de co-catalizador de diselenuro de tungsteno y líquido iónico en el lado del cátodo; y óxido de cobalto en el electrolito de fosfato de potasio en el lado del ánodo.

Cuando la luz de cien vatios por metro cuadrado -cerca de la intensidad media que alcanza la superficie de la Tierra- da energía a la célula, el hidrógeno y el monóxido de carbono borbotean desde el cátodo, mientras que se producen iones de oxígeno e hidrógeno libres en el ánodo.

"Los iones de hidrógeno se difunden a través de una membrana para el lado del cátodo, para participar en la reacción de reducción de dióxido de carbono", explica Asadi. La tecnología debería ser adaptable, no sólo para su uso a gran escala, como parques solares, sino también para aplicaciones a pequeña escala, según Salehi-Khojin.