Los 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 utilizamos todos los días.
La industria química fabrica cientos de miles de sustancias químicas y transforma materias primas, generalmente combustibles fósiles, en productos finales útiles. Debido a su tamaño y al uso de combustibles fósiles como materia prima, la industria química es responsable de aproximadamente el 6 % de las emisiones globales de carbono.
Pero los investigadores, dirigidos 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 luz con enzimas bacterianas para convertir la luz solar, el agua y el dióxido de carbono en formato, un combustible que puede impulsar otras transformaciones químicas.
Su «hoja semiartificial» imita la fotosíntesis: el proceso que utilizan las plantas para convertir la luz solar en energía, y no requiere ninguna fuente de energía externa. A diferencia de los prototipos anteriores, que a menudo dependían de absorbentes de luz tóxicos o inestables, el nuevo diseño biohíbrido evita el uso de semiconductores tóxicos, es más duradero y puede funcionar sin productos químicos adicionales que antes reducían la eficiencia.
En las pruebas, los investigadores utilizaron la luz solar para convertir el dióxido de carbono en formato y luego lo usaron directamente en una reacción química «dominó» para producir un tipo importante de compuesto usado en productos farmacéuticos, con alto rendimiento y pureza.
Sus resultados, publicados en la revista Joule , marcan la primera vez que se utilizan semiconductores orgánicos como componente de captación de luz en este tipo de dispositivo biohíbrido, abriendo la puerta a una nueva familia de hojas artificiales sostenibles.
La industria química es fundamental para la economía mundial y produce productos que van desde productos farmacéuticos y fertilizantes hasta plásticos, pinturas, productos electrónicos, productos de limpieza y artículos de tocador.
“Si queremos construir una economía circular y sostenible, la industria química es un problema importante y complejo que debemos abordar”, afirmó el profesor Erwin Reisner, del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, quien dirigió la investigación. “Tenemos que encontrar maneras de desfosilizar este importante sector, que produce tantos productos esenciales que todos necesitamos. Es una gran oportunidad si lo logramos”.
El grupo de investigación de Reisner se especializa en el desarrollo de hojas artificiales, que transforman la luz solar en combustibles y sustancias químicas basadas en carbono sin depender de combustibles fósiles. Sin embargo, muchos de sus diseños anteriores se basan en catalizadores sintéticos o semiconductores inorgánicos, que se degradan rápidamente, desperdician gran parte del espectro solar o contienen elementos tóxicos como el plomo.
“Si logramos eliminar los componentes tóxicos y empezar a utilizar elementos orgánicos, obtenemos una reacción química limpia y un único producto final, sin reacciones secundarias indeseadas”, afirmó la Dra. Celine Yeung, coautora principal, quien completó la investigación como parte de su trabajo de doctorado en el laboratorio de Reisner. “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”.
El nuevo dispositivo integra semiconductores orgánicos con enzimas de bacterias reductoras de sulfato, que dividen el agua en hidrógeno y oxígeno o convierten el dióxido de carbono en formato.
Los investigadores también han abordado un desafío de larga data: la mayoría de los sistemas requieren aditivos químicos, conocidos como tampones, para mantener las enzimas en funcionamiento. Estos pueden descomponerse rápidamente y limitar la estabilidad. Al integrar una enzima auxiliar, la anhidrasa carbónica, en una estructura porosa de óxido de titanio, los investigadores lograron que el sistema funcionara en una solución simple de bicarbonato, similar al agua con gas, sin aditivos insostenibles.
«Es como un gran rompecabezas», dijo el Dr. Yongpeng Liu, coautor principal e investigador postdoctoral en el laboratorio de Reisner. «Tenemos todos estos componentes diferentes que hemos estado intentando combinar con un solo propósito. Nos llevó mucho tiempo descubrir cómo se inmoviliza esta enzima específica en un electrodo, pero ahora estamos empezando a ver los frutos de estos esfuerzos».
“Al estudiar a fondo el funcionamiento de la enzima, pudimos diseñar con precisión los materiales que componen las diferentes capas de nuestro dispositivo tipo sándwich”, dijo Yeung. “Este diseño permitió que las piezas funcionaran juntas de forma más eficaz, desde la diminuta nanoescala hasta la hoja artificial completa”.
Las pruebas demostraron que la hoja artificial producía corrientes elevadas y alcanzaba una eficiencia casi perfecta al dirigir electrones hacia reacciones generadoras de combustible. El dispositivo funcionó con éxito durante más de 24 horas: más del doble que los diseños anteriores.
Los investigadores esperan desarrollar aún más sus diseños para extender la vida útil del dispositivo y adaptarlo para que pueda producir diferentes tipos de productos químicos.
“Hemos demostrado que es posible crear dispositivos solares que no solo sean eficientes y duraderos, sino que también estén libres de componentes tóxicos o insostenibles”, afirmó Reisner. “Esta podría ser una plataforma fundamental para la producción de combustibles y productos químicos ecológicos en el futuro; es una verdadera oportunidad para desarrollar una química emocionante e importante”.
La investigación fue financiada en parte por la Agencia de Ciencia, Tecnología e Investigación de Singapur (A*STAR), el Consejo Europeo de Investigación, la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia, la Real Academia de Ingeniería y UK Research and Innovation (UKRI). Erwin Reisner es miembro del St John’s College de Cambridge. Celine Yeung es miembro del Downing College de Cambridge.
Referencia:
Celine Wing See Yeung et al. « Semiconductores orgánicos y enzimas que interactúan con hojas semiartificiales para la síntesis química solar ». Joule (2025). DOI: 10.1016/j.joule.2025.102165
Universidad de Cambridge News. Traducido al español
