Fotosíntesis artificial, la tecnología para crear hidrocarburos

En este sentido uno de los grandes proyectos de la humanidad es el de la fotosíntesis artificial, hace pocos años definido en congresos mundiales como prioritario junto con el del genoma humano.

La fotosíntesis (natural) es un proceso muy complicado que involucra muchas reacciones complejas con macromoléculas y que llevan a cabo las plantas para producir su energía (glucosa o azúcares) a partir de la luz del sol, agua y CO₂. Con el fin de abreviar y tener más control sobre este proceso, se ha diseñado una nueva tecnología llamada fotosíntesis artificial, que utiliza los mismos ingredientes que la natural (luz, agua y CO₂) sin embargo el producto no es la glucosa o el azúcar, sino combustibles como el gas natural o los alcoholes.

La fotosíntesis artificial tiene dos fases. En la primera, el agua, con la ayuda de la luz solar, produce oxígeno, protones y electrones. En la segunda, los protones y electrones se utilizan para almacenar esta energía en forma de hidrógeno.

También se podrían producir otro tipo de productos como el gas natural (metano) o los alcoholes (metanol). No obstante, si se desean obtener hidrocarburos sostenibles, se debe usar una fuente de carbono, como el dióxido de carbono atmosférico (igual que lo hace la fotosíntesis natural).

Estrictamente esta reacción puede producirse en el laboratorio en lo que denominamos una celda fotoelectroquímica (PEC), también llamada celda de Grätzel. Esta celda utiliza fotosensibilizadores depositados sobre unas capas muy finas (películas) de dióxido de titanio (TiO2) nanocristalinas. Cuando llega un fotón, la celda ejecuta su función y es capaz de oxidar el catalizador responsable de oxidar el agua. Este catalizador, llamado «dímero azul», (normalmente un compuesto de rutenio) es capaz de atraer a los cuatro electrones del agua, dividiéndola así en protones y oxígeno.

Entonces, este flujo de electrones fluye a través del semiconductor de dióxido de titanio (TiO2) al cátodo de platino, donde se forma una molécula de hidrógeno por cada par de protones que le llegan a través de la membrana intercambiadora de protones.

Pero una visión mucho más amplia de este gran proyecto mundial abre más opciones a este proceso: manteniendo la fuente energética solar (vía fotoquímica o bien mediante paneles fotovoltaicos), usando CO₂ atmosférico y agua, da como resultado compuestos de química orgánica y oxígeno como subproducto, y el balance global es exactamente el mismo que el de la fotosíntesis natural.

Pero volvamos a la reacción clave, la rotura de la molécula de agua para generar hidrógeno. ¿Cómo estamos hablando de hidrógeno y a la vez de compuestos orgánicos? Pues cierto es que las plantas y otros organismos vivos fotosintéticos no generan hidrógeno como producto, generan su propia biomasa, es decir, productos de química orgánica como azúcares, proteínas, lignina, celulosa y otros.

¿Cómo encajamos las dos cosas? Se explica justo en el momento en el que el agua se rompe para dar oxígeno, electrones y protones. En ese momento se puede dejar que dos protones se unan para generar hidrógeno puro, o bien se puede poner en contacto a esos protones con CO₂ y catalizadores específicos para reaccionar antes de formar hidrógeno gas H2.

Las condiciones de esa reacción darán lugar a productos como ácido fórmico, metanol, etanol, entre otros. En su mayoría son compuestos orgánicos naturales simples y en estado líquido en condiciones ambientales. Estos procesos hoy en día pueden llegar a tener eficiencias (denominadas faradaicas) de cerca del 50%, es decir: de cada 100 electrones que llegan al reactor químico, la mitad terminan acumulados en forma química, es decir acumulando esa energía de forma estable.

Por supuesto, el rendimiento de esas reacciones será mayor a condiciones de reacción más severas, es decir, aplicando presiones y temperaturas elevadas. Pero eso conlleva un gasto energético asociado, con lo que el balance final debe ser estudiado con detenimiento. Algunos científicos en el mundo, como Atsushi Urakawa (Universidad de Delft, Holanda) ya han determinado esos efectos en los balances y tienen tecnologías muy avanzadas en ese ámbito. Otros, como nuestro equipo de Eurecat y la Universitat Rovira i Virgili, en Tarragona, optamos por trabajar en condiciones más suaves de presión y temperatura. En cualquier caso, en los próximos años toda esta tecnología estará disponible comercialmente y será una alternativa más para la producción de combustibles vía fotosíntesis artificial.

Para terminar, quiero poner un punto de realismo al proceso de migración de la industria y la sociedad en general, hacia este futuro mejor. Los cambios deben llegar de forma escalonada, pero inmediata, en mi opinión, un intento de cambio drástico puede llevar a una saturación por frustración.

Un ejemplo es el hidrógeno verde, por el cual hay que apostar. En algunos casos, en lugar de esperar a madurar del todo esta opción, es mucho mejor empezar ya, de forma inmediata por usar el hidrógeno azul, que captura el CO₂ para empezar esa migración hacia tecnologías como las que he explicado relacionadas con la fotosíntesis artificial, donde se recircula el CO₂.

Lo mismo se podría aplicar a los materiales plásticos y otros temas relacionados, donde no solo el reciclaje de los plásticos existentes sino sus nuevas variantes más reciclables e incluso compostables deben abrirse paso en el mercado de forma real, decidida y asumible por parte de la cadena industrial y de mercado.

De esta forma se empieza toda una era en química verde sin esperar a tener todo encajado y hacer un salto cuántico demasiado exigente.