BerkeleyLab.- Lawrence Berkeley National Laboratory.
Nanocristales de oxido de cobalto pueden ser usados eficazmente en el rompimiento de las móleculas de agua, una de las reacciones críticas medias para el sistema de fotosíntesis artificial para producir combustibles líquidos a partir de la luz solar.
Por millones de años los vegetales han empleado la fotosíntesis para capturar la energía de la luz solar y convertirla en energía electroquímica. Una de las metas de los científicos ha sido desarrollar una versión artificial de la fotosíntesis que se pueda utilizar para producir combustibles líquidos a partir del dióxido de carbono y de agua. Los investigadores con el Departamento de Energía de E. U. y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab.) han dado ahora un paso crítico hacia esta meta con el descubrimiento de que los nanocristales de oxido de cobalto pueden realizar eficazmente la reacción fotosintética crítica de las moléculas del rompimiento de las moléculas de agua.
"La foto-oxidación de las moléculas de agua en oxigeno, los electrones y los protones (iones de hidrogeno) es una de las dos reacciones medias críticas de un sistema artificial de fotosíntesis -proporciona los electrones necesarios para reducir el dióxido de carbono a combustible", afirmó Heinz Frei, un químico de la división de biociencias físicas del Laboratorio Berkeley, quien condujo esta investigación con su compañero de postdoctorado Feng Jiao. "La foto-oxidación eficaz requiere un catalizador que sea eficiente en el uso de fotones solares y bastante rápido para mantenerse con el flujo solar para evitar perder esos fotones. Los grupos de nanocristales de dióxido de cobalto son suficientemente eficientes y rápidos, y también son robustos (pasado un tiempo prolongado) y abundantes. Se ajustan perfectamente a la cuenta"
Feng Jiao (izq.) y Heinz Frei, químicos de la División de Biociencias Físicas del Lab. Berkeley, han estado investigando los catalizadores de osido de metal para la producción de combustibles líquidos a través de la fotosíntesis artificial. (Foto Roy Kaltschmidt)Frei y Jiao han divulgado los resultados de su estudio en el diario Angewandte Chemie, titulado: "Grupos de oxido de cobalto nanoestructurados en mesoporos de sílice como catalizadores eficaces del desarrollo del oxigeno". Esta investigación realizada a través del Centro de Investigaciones de Energía Solar Helios (Helios SERC), un programa científico del Laboratorio Berkeley bajo la dirección de Paul Alivisatos, el cual tiene por objeto el desarrollo de combustibles a partir de luz solar. Frei sirve como subdirector de Helios SERC.
La fotosíntesis artificial para la producción de combustibles líquidos se ofrece como una promesa de energía renovable y de energía de transporte de fuente de carbón neutral, no contribuiría significativamente con el calentamiento global estos resultados de la quema de petróleo y carbón. La idea es una mejora sobre el proceso que ha prestado servicio por largo tiempo a los vegetales y a ciertas bacterias en la integración en una sola plataforma de los sistemas luz -cosecha que puedan capturar fotones solares y sistemas catalíticos que puedan oxidar el agua- es decir, una hoja artificial.
Para aprovechar la flexibilidad y la precisión por las cuales la absorción de la luz, el transporte de la carga y las características catalíticas se pueden controlar por las estrcturas molecularse inorgánicas discretas, hemos estado trabajando con nanogrupos de oxido de metales polinucleares en sílice", afirmó Frei. "En el trabajo anterior, encontramos que el oxido de iridio fue eficiente y bastante rápido para hacer el trabajo, pero el iridio es el metal menos abundante en la tierra y no adecuado para ser usado a gran escala. Necesitamos un metal que sea igualmente efectivo pero más abundante de lejos".
Los vegetales realizan la foto-oxidación de las moléculas de agua dentro de un complejo de proteínas llamado fotosistema II, en el cual el manganeso contenido en las enzimas sirve de catalizador. Los complejos organometálicos basados en manganeso son copia del fotosistema II han demostrado ser un prometedor catalizador de la oxidación del agua pero algunos no son solubles en agua y ni son resistentes. Buscando catalizadores estrictamente inorganicos que se disuelvan en agua y que sean de lejos mós resistentes que los materiales biomiméticos, Frei y Jiao volvieron al oxido de carbono, un material abundante que es un catalizador industrial importante. Cuando Frei y Jiao probaron partículas de tamaño de micras de oxido de cobalto, encontraron que las partículas eran ineficaces y ni lo sificientemente rápidas para que sirviera como fotocatalizador. Sin embargo, cuando probaron nanopartículas fue otra historia.
"La producción por grupos de nano-cristales de oxido de cobalto (Co3O4) estuvo alrededor de 1600 veces más que para las partículas de nano-micras", afirmó Frei, "y la frecuencia de rotación (velocidad) estuvo alrededor de 1,140 moléculas de oxígeno por segundo y por grupo (cluster), lo que es conmesurable con el flujo solar a nivel del suelo (aproximadamente 1000 watts por metro cuadrado)".
Bajo el escenario de combustible a través de la fotosíntesis artificial, los nanótubos encajados dentro de una membrana actuarían como hojas verdes, usando la radiación solar incidente (Hy) para romper las moléculas del agua (H2O), liberando encima de los electrones y del oxigeno (O2) que entonces reaccionan con el dióxido de carbono (CO2) para producir combustible, mostrando aquí como metanol (CH3OH). El resultado es una fuente de energía verde renovable que también ayuda a refregar la atmosfera del dióxido de carbono excesivo de la quema de combustibles fósiles. (ilustración de Flavio Robles).Frei y Jiao utilizaron los mesoporos de la sílice como su armazón, para aumentar sus nanocristales de cobalto dentro de los canales a escala nano naturalmente paralelos a través de la sílice una técnica conocida como "impregnación húmeda". Los mejores resultados se dieron con los cristales en forma de barra que median 8 nanometros de diámetro y 50 nanómetros de longitud, los cuales estaban interconectados por puentes pequeños para formar grupos (clusters) empaquetados. Los paquetes fueron formados como una esfera con un diámetro de 35 nanómetros. Mientras que la eficacia catalítica del cobalto en sí misma fue importante, Frei afirmó que el factor principal detrás de la eficacia mejorada y la velocidads de los paquetes fue su tamaño.
Imaginamos que el área interna más grande comparativamente de estos 35 nanómetros de los paquetes (donde la catalísis tiene lugar) era el factor pricipal detrás de su eficacia creciente", afirmó, "porque cuando producimos paquetes más grandes (de 65 nanómetros de diámetro), el área interna fue reducida y se perdieron paquetes muchos de los que obtuvieron eficacia".
Frei y Jiao conducirán otros estudios para obtener una mejor comprensión del porqué sus paquetes de nanócristales de oxido de cobalto son tan eficientes y fotocatalizadores de alta velocidad y también observarán otros catalizadores de oxido de metal. El gran paso siguiente, sin embargo, será integrar la reaccián media de la oxidación del agua con el paso de la reducción del dióxido de carbono en un sistema tipo de hoja artificial.
"La eficacia, la velocidad y el tamaño de nuestros grupos (clusters) de nanócristales de oxido de cobalto son comparables al fotosistema II", afirmó Frei. "Cuando usted descompone en factores la abundancia de oxido de cobalto, la estabilidad de los nanogrupos bajo uso, el moderado sobrepotencial, un pH suave, las condiciones de temperatura, creemos que tenemos un componente catalítico prometedor para desarrollar un sistema de conversión viable de combustible solar integrado. Éste es el proximo reto importante en el campo de la fotoíntesis artificial para la producci de combustible".
El Centro de Investigación de Energía Solar Helios es apoyado por el Director de la Oficina de Ciencia, la Ofocina de Ciencias Básicas de Energía del Departamento de Energía de E. U.
Fuente: Berkeley Lab., lbl.gov
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