Nuevo sistema fotocatalítico convierte diodo de carbono

Universidad de la ciudad de Hong Kong

Imagen: Un sistema fotocatalítico de autoensamblaje jerárquico (izquierda) imita el aparato de fotosíntesis natural de una bacteria púrpura, llamada Rhodobacter sphaeroides (derecha), logrando una eficiencia del 15% de energía solar en combustible al convertir dióxido de carbono en metano.ver más

Crédito: (izquierda) Grupo de investigación del profesor Ye Ruquan / Universidad de la ciudad de Hong Kong y (derecha) Biophysical Journal, 99:67-75, 2010

Un equipo de investigación conjunto deUniversidad de la ciudad de Hong Kong (CityU) y sus colaboradores desarrollaron recientemente un sistema fotocatalítico artificial estable que es más eficiente que la fotosíntesis natural. El nuevo sistema imita un cloroplasto natural para convertir el dióxido de carbono del agua en metano, un combustible valioso, utilizando la luz de manera muy eficiente. Se trata de un descubrimiento prometedor que podría contribuir al objetivo de la neutralidad de carbono.

La fotosíntesis es el proceso mediante el cual los cloroplastos de las plantas y algunos organismos utilizan la luz solar, el agua y el dióxido de carbono para crear alimentos o energía. En las últimas décadas, muchos científicos han intentado desarrollar procesos de fotosíntesis artificiales para convertir el dióxido de carbono en un combustible neutro en carbono.

"Sin embargo, es difícil convertir el dióxido de carbono en agua porque muchos fotosensibilizadores o catalizadores se degradan en el agua", explicó.Profesor Ye Ruquan , profesor asociado del Departamento de Química de CityU, uno de los líderes del estudio conjunto. "Aunque se ha demostrado que los ciclos fotocatalíticos artificiales funcionan con una mayor eficiencia intrínseca, la baja selectividad y estabilidad del agua para la reducción del dióxido de carbono han obstaculizado sus aplicaciones prácticas".

En el último estudio, el equipo de investigación conjunto de CityU, la Universidad de Hong Kong (HKU), la Universidad de Jiangsu y el Instituto de Química Orgánica de Shanghai de la Academia de Ciencias de China superó estas dificultades mediante el uso de un enfoque de ensamblaje supramolecular para crear un sistema fotosintético. Imita la estructura de los cromatóforos captadores de luz de una bacteria violeta (es decir, células que contienen pigmento), que son muy eficientes para transferir energía del sol.

El núcleo del nuevo sistema fotosintético artificial es una nanomicela artificial altamente estable, un tipo de polímero que puede autoensamblarse en agua, con un extremo que ama el agua (hidrófilo) y otro que teme el agua (hidrófobo). La cabeza hidrofílica de la nanomicela funciona como fotosensibilizador para absorber la luz solar y su cola hidrofóbica actúa como inductor del autoensamblaje. Cuando se coloca en agua, las nanomicelas se autoensamblan debido a los enlaces de hidrógeno intermoleculares entre las moléculas de agua y las colas. La adición de un catalizador de cobalto da como resultado la producción de hidrógeno fotocatalítico y la reducción de dióxido de carbono, lo que resulta en la producción de hidrógeno y metano.

Utilizando técnicas de imagen avanzadas y espectroscopia ultrarrápida, el equipo reveló las características atómicas del innovador fotosensibilizador. Descubrieron que la estructura especial de la cabeza hidrófila de la nanomicela, junto con los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua y la cola de la nanomicela, la convierten en un fotosensibilizador artificial estable y compatible con el agua, resolviendo el problema convencional de inestabilidad e incompatibilidad con el agua de la fotosíntesis artificial. La interacción electrostática entre el fotosensibilizador y el catalizador de cobalto, y el fuerte efecto de antena de captación de luz de la nanomicela mejoraron el proceso fotocatalítico.

En el experimento, el equipo descubrió que la tasa de producción de metano era de más de 13.000 μmol h-1 g-1, con un rendimiento cuántico del 5,6% en 24 horas. También logró una tasa de eficiencia de conversión de energía solar a combustible del 15%, superando la fotosíntesis natural.

Lo más importante es que el nuevo sistema fotocatalítico artificial es económicamente viable y sostenible, ya que no depende de costosos metales preciosos. "El autoensamblaje jerárquico del sistema ofrece una estrategia ascendente prometedora para crear un sistema fotocatalítico artificial de alto rendimiento, controlado con precisión, basado en elementos baratos y abundantes en la Tierra, como complejos de porfirina de zinc y cobalto", dijo el profesor Ye.

El profesor Ye dijo que cree que el último descubrimiento beneficiará e inspirará el diseño racional de futuros sistemas fotocatalíticos para la conversión y reducción de dióxido de carbono utilizando energía solar, contribuyendo al objetivo de la neutralidad de carbono.

Los hallazgos fueron publicados en la revista científica."Catálisis de la naturaleza"bajo el título“Nanomicelas cromatóforas esféricas artificiales para la reducción selectiva de CO2 en agua”.

Los primeros autores sonDr. Yu Junlai, del Instituto de Química Orgánica de Shanghai, yDr. Huang Libei , Doctorado en la CityU. Los autores correspondientes son el profesor Ye,Profesor David Lee Philips, de HKU,Profesor Du Lili, de la Universidad de Jiangsu, yProfesor Tian Jia, del Instituto de Química Orgánica de Shanghai.

El estudio contó con el apoyo de varias fuentes de financiación, incluida la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, el Fondo de Investigación Básica y Aplicada de Guangdong, el Programa de Ciencia y Tecnología de Shenzhen y el Consejo de Subvenciones de Investigación de Hong Kong.

https://www.cityu.edu.hk/research/stories/2023/08/03/new-photocatalytic-system-converts-carbon-dioxide-valioso-combustible-más-eficientemente-fotosíntesis-natural

Catálisis de la naturaleza

10.1038/s41929-023-00962-z

Estudio experimental

No aplica

Nanomicelas cromatóforas esféricas artificiales para la reducción selectiva de CO2 en agua

18-mayo-2023

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