Misión: una hoja hecha por el hombre
Los investigadores del Clúster de Excelencia de e-conversion estudian formas de mejorar la eficiencia y la sostenibilidad de la conversión de energía. Su trabajo se inspira en el principio de la fotosíntesis. Estamos en el año 2040 y en los tejados de los edificios de apartamentos, fábricas y rascacielos brillan los componentes de un sistema revolucionario que capta la luz del sol y extrae dióxido de carbono (CO2 ) de la atmósfera. Los componentes contienen materiales de alta tecnología que generan energía solar y, al mismo tiempo, la ponen a disposición para reacciones químicas. Sin necesidad de baterías de almacenamiento ni otras etapas intermedias, el sistema convierte el dióxido de carbono perjudicial para el clima en combustibles ecológicos como el hidrógeno (H2 ) y productos químicos básicos importantes para la industria. El único subproducto “desecho” del proceso es el oxígeno. Para acercar esta visión de futuro a la realidad, los investigadores del Clúster de Excelencia e-conversion están emulando el principio de la fotosíntesis. Su investigación se centra en el desarrollo de materiales conocidos como fotocatalizadores que tienen las características requeridas y sistemas que funcionan como hojas artificiales. Comprender y mejorar los catalizadores El sol envía a la Tierra unos 944 millones de teravatios hora de energía cada año. Una pequeña fracción de esa cantidad cubriría todas las necesidades energéticas actuales de nuestro planeta. “En la actualidad, la energía solar se utiliza principalmente para producir energía calentando agua o para generar electricidad en sistemas fotovoltaicos. Ambas formas de producción de energía se pueden utilizar con fines industriales en un segundo paso”, explica el profesor Ian Sharp, científico de materiales de la TUM y coordinador del clúster de excelencia e-conversion. “Pero los fotocatalizadores pueden hacer más que eso: pueden proporcionar energía solar directamente para generar reacciones químicas”. Aunque la fotosíntesis natural es una fuente de inspiración para los investigadores, no pretenden copiarla. Se trata de un proceso muy complejo y, con un factor de conversión de alrededor del 1 por ciento, no es especialmente eficiente. Aunque es suficiente para hacer crecer las plantas, el proceso está muy lejos de lo que se necesitaría para aplicaciones técnicas y comerciales. Por ello, los investigadores buscan materiales y procesos para la producción eficiente y sostenible de sustancias químicas básicas y fuentes de energía. Esto supondría una importante contribución a la transición energética y reduciría drásticamente las necesidades de combustibles fósiles de la industria. “Para implementar de forma eficiente la fotosíntesis artificial en forma molecular, aún tenemos que superar importantes obstáculos. Los procesos catalíticos desempeñarán un papel decisivo”, afirma Ian Sharp. En estos procesos, las reacciones químicas se aceleran mediante una sustancia (el catalizador) que no se modifica ni se consume. «El punto central de la conversión electrónica son las interfases, porque es allí donde se encuentran los catalizadores y las moléculas reactivas». En estas interfases hay muchas lagunas de conocimiento que los investigadores quieren colmar. Para ello, desarrollan materiales adecuados y descifran los procesos de catálisis molecular y atómica. Se centran sobre todo en los materiales semiconductores, ya que poseen propiedades ópticas y electrónicas especiales: pueden captar la luz de forma eficiente y utilizar su energía para generar cargas negativas y positivas en el semiconductor. De este modo, la energía de la luz está disponible para las reacciones químicas. Una parte importante de la investigación de Ian Sharp y su equipo se centra en la reducción del CO2 . Si esto tiene éxito, la luz solar podría utilizarse para convertir el dióxido de carbono en moléculas de importancia industrial, como hidrocarburos o alcoholes. Sin embargo, la concentración de CO2 en el aire es baja. «Para que la conversión sea posible mediante catálisis, hemos desarrollado un nanorrecubrimiento a medida», explica el profesor Sharp. «Con este truco aumentamos la concentración de CO2 en la superficie catalítica y hacemos que el gas sea más reactivo». Para convertir el CO2 de forma eficiente en un producto deseado en el siguiente paso, se necesita el material perfecto. Un examen de la lista de criterios para el material muestra que debe ser un verdadero todoterreno: tiene que ser duradero y químicamente estable, pero también capaz de absorber la mayor parte del espectro visible de forma eficiente y convertir la energía en cargas eléctricas. Además, debe ser capaz de catalizar solo la reacción química deseada y no debe contener ningún elemento tóxico. Utilizando nanoefectos La tabla periódica ofrece una lista interminable de combinaciones. Para acelerar la búsqueda de nuevos materiales, los investigadores utilizan técnicas de cribado de alto rendimiento y emplean inteligencia artificial para evaluar los materiales potenciales. “Además, los cálculos teóricos proporcionan indicaciones clave sobre si determinadas combinaciones de elementos serán estables y mostrarán las características ópticas deseadas”, explica la física Johanna Eichhorn. La catedrática de la Facultad de Ciencias Naturales de la TUM utiliza diversos métodos para crear materiales completamente nuevos en el laboratorio y caracterizar los principios físicos que subyacen a los procesos de conversión de energía. Uno de sus principales intereses de investigación es el rendimiento fotoeléctrico. “Así describimos la eficiencia con la que un material convierte la luz en energía eléctrica y, al mismo tiempo, podemos observar la estabilidad de un material”, explica. Los efectos nanométricos suelen tener un impacto positivo en el rendimiento de un material. Johanna Eichhorn Sin embargo, las características catalíticas de un material también están determinadas en gran medida por su estructura y sus propiedades físicas. “Observamos con atención las estructuras cristalinas y, sobre todo, las zonas que se desvían de los patrones regulares”, explica Johanna Eichhorn. “A menudo, estos son los puntos de acoplamiento de las moléculas y, por tanto, el lugar donde comienzan los procesos catalíticos”. Además, estas irregularidades en la red cristalina influyen en los caminos que siguen los electrones o “huecos” y, en consecuencia, también en las reacciones. Para obtener un perfil del material con la mayor precisión posible, la investigadora utiliza un microscopio de barrido especial para acercarse a las nanoestructuras de las superficies de los semiconductores y trazar un mapa de las diferencias locales. Al mismo tiempo, el dispositivo le permite conocer las características electrónicas en el mismo lugar. “De
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