La revolución solar: productos químicos limpios y sostenibles están llegando
La problemática de la industria química
Investigadores han demostrado una forma nueva y sostenible de fabricar los productos químicos que son la base de miles de productos, desde plásticos hasta cosméticos, que usamos todos los días.
Cientos de miles de productos químicos son fabricados por la industria química, que transforma materias primas —normalmente combustibles fósiles— en productos útiles. Debido a su tamaño y uso de combustibles fósiles como materia prima, la industria química es responsable de aproximadamente el 6% de las emisiones globales de carbono.
Hacia la desfosilización
Sin embargo, los investigadores, liderados por la Universidad de Cambridge, están desarrollando nuevos métodos que algún día podrían conducir a la “desfosilización” de este importante sector.
Han desarrollado un dispositivo híbrido que combina polímeros orgánicos que captan la luz con enzimas bacterianas para convertir la luz solar, el agua y el dióxido de carbono en formiato, un combustible que puede impulsar posteriores transformaciones químicas.
La hoja semi-artificial: imitando la fotosíntesis
Su “hoja semi-artificial” imita la fotosíntesis: el proceso que usan las plantas para convertir la luz solar en energía y no requiere fuente de energía externa. A diferencia de prototipos anteriores, que a menudo dependían de absorbentes de luz tóxicos o inestables, el nuevo diseño biohíbrido evita los semiconductores tóxicos, dura más y puede funcionar sin productos químicos adicionales que antes dificultaban la eficiencia.
En pruebas, los investigadores usaron la luz solar para convertir dióxido de carbono en formiato y luego lo emplearon directamente en una reacción química “dominó” para producir un tipo importante de compuesto utilizado en la industria farmacéutica, con alta pureza y rendimiento.
Innovación en semiconductores orgánicos
Sus resultados, publicados en la revista Joule, marcan la primera vez que se emplean semiconductores orgánicos como componente de captación de luz en este tipo de dispositivos biohíbridos, abriendo la puerta a una nueva familia de hojas artificiales sostenibles.
La industria química es fundamental para la economía mundial, produciendo desde medicamentos y fertilizantes hasta plásticos, pinturas, electrónicos, productos de limpieza y artículos de tocador.
Declaraciones de los investigadores
“Si vamos a construir una economía circular y sostenible, la industria química es un problema grande y complejo que debemos abordar”, dijo el profesor Erwin Reisner del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, quien lideró la investigación. “Tenemos que idear formas de desfosilizar este sector tan importante, que produce tantos productos que todos necesitamos. Es una gran oportunidad si logramos hacerlo correctamente.”
El grupo de investigación de Reisner se especializa en el desarrollo de hojas artificiales, que convierten la luz solar en combustibles y productos químicos a base de carbono sin depender de combustibles fósiles. Pero muchos de sus diseños anteriores dependen de catalizadores sintéticos o semiconductores inorgánicos, que se degradan rápidamente, desperdician gran parte del espectro solar o contienen elementos tóxicos como el plomo.
“Si eliminamos los componentes tóxicos y empezamos a usar elementos orgánicos, obtenemos una reacción química limpia y un solo producto final, sin reacciones secundarias no deseadas”, explicó la autora principal, la Dra. Celine Yeung. “Este dispositivo combina lo mejor de ambos mundos: los semiconductores orgánicos son ajustables y no tóxicos, mientras que los biocatalizadores son altamente selectivos y eficientes.”
Soluciones técnicas desarrolladas
El nuevo dispositivo integra semiconductores orgánicos con enzimas de bacterias reductoras de sulfato, dividiendo el agua en hidrógeno y oxígeno o convirtiendo dióxido de carbono en formiato.
Los investigadores también han solucionado un desafío de larga data: la mayoría de los sistemas requieren aditivos químicos, llamados tampones, para que las enzimas funcionen. Estos pueden degradarse rápidamente y limitar la estabilidad. Al incorporar una enzima auxiliar, anhidrasa carbónica, en una estructura porosa de titania, el sistema puede funcionar en una simple solución de bicarbonato (similar al agua con gas) sin aditivos insostenibles.
“Es como un gran rompecabezas”, dijo el coautor principal, el Dr. Yongpeng Liu. “Tenemos diferentes componentes que hemos intentado unir para un solo propósito. Nos tomó mucho tiempo descubrir cómo inmovilizar esta enzima específica en un electrodo, pero ahora estamos comenzando a ver los frutos de esos esfuerzos.”
“Estudiando profundamente cómo funciona la enzima, pudimos diseñar con precisión los materiales que forman las distintas capas de nuestro dispositivo, parecido a un sándwich”, dijo Yeung. “Este diseño hizo que las partes trabajaran juntas de manera más efectiva, desde la nanoescala hasta la hoja artificial completa.”
Resultados y futuro
Las pruebas mostraron que la hoja artificial produjo altas corrientes y logró una eficiencia casi perfecta al dirigir electrones a las reacciones de producción de combustibles. El dispositivo funcionó durante más de 24 horas, más del doble que diseños previos.
Los investigadores esperan desarrollar aún más sus diseños, extender la vida útil del dispositivo y adaptarlo para producir distintos tipos de productos químicos.
“Hemos demostrado que es posible crear dispositivos alimentados por el sol que no solo sean eficientes y duraderos, sino también libres de componentes tóxicos o insostenibles”, señaló Reisner. “Esto podría ser una plataforma fundamental para producir combustibles y productos químicos ecológicos en el futuro: realmente es una oportunidad para hacer química emocionante e importante.”
Conclusión
La investigación de la Universidad de Cambridge marca un paso importante hacia una industria química sustentable y libre de fósiles. La innovación de la hoja semi-artificial no solo promete reducir el impacto ambiental del sector, sino que también abre nuevas vías para la producción de productos químicos esenciales con energías renovables y procesos limpios. El futuro de la química verde está más cerca gracias a estos avances tecnológicos y científicos.
