Proyecto H2020 HyMAP: Materiales Híbridos para la Fotosíntesis Artificial

Imitando a la naturaleza, la fotosíntesis artificial utiliza la luz solar para convertir el CO2 y el agua en compuestos que dan y liberan energía. Pero en lugar de producir azúcares, como ocurre con las plantas verdes, la fotosíntesis artificial puede producir monóxido de carbono (CO), metano (CH4), metanol (CH3OH) e hidrógeno (H2), de interés como combustibles verdes. 

El proyecto HyMAP (Hybrid Materials for Artificial Photosynthesis), financiado por el Consejo Europeo de Investigación (ERC), se creó para desarrollar una nueva generación de materiales e inorgánicos híbridos orgánicos-inorgánicos y dispositivos para realizar las transformaciones químicas necesarias para la fotosíntesis artificial. Esto abriría la puerta al desarrollo de alternativas ecológicas a los electrodos de almacenamiento electroquímico para baterías. El equipo investigó la foto(electro)catálisis, a diferentes escalas, desde catalizadores a nanoescala hasta reactores de plantas piloto, creando nuevos materiales híbridos fotoactivos. "Nuestros resultados, especialmente los que aumentan el rendimiento, están a la vanguardia del conocimiento en el campo de la conversión de CO2, marcando un hito para esta área de investigación", dice el investigador principal Víctor A de la Peña O'Shea de la Universidad de Nueva York. Instituto IMDEA Energía(Se abre en una ventana nueva). En consecuencia, los hallazgos científicos se están difundiendo ampliamente en revistas de alto perfil. La nueva familia de semiconductores orgánicos del proyecto, Polímeros porosos conjugados(Se abre en una ventana nueva), ya han sido patentados para la producción de combustible solar. Materiales híbridos 

El objetivo principal de HyMAP era desarrollar sistemas multifuncionales con capacidades mejoradas para recolectar luz de todo el espectro solar. 

Para lograrlo, el equipo exploró fotocatalizadores híbridos, investigando varios materiales y enfoques. Las diferentes estrategias adoptadas fueron: (i) ingeniería de banda prohibida de semiconductores inorgánicos y (ii) orgánicos; (iii) así como sus heterojunciones relacionadas; (iv) estructuras metal-orgánicas (MOF) y (v) conversión ascendente (UC). Las primeras cuatro opciones pueden recolectar ultravioleta junto con las regiones visibles del espectro de luz, mientras que las UC mejoran la recolección de longitudes de onda infrarrojas. Fundamentalmente, los semiconductores inorgánicos y orgánicos mejoran la generación y transferencia de carga, aumentando el rendimiento fotocatalítico. "La combinación de diferentes materiales, cada uno especializado en las funciones separadas de las reacciones fotocatalíticas, principalmente de absorción de luz, separación de carga y catálisis, mejoró la eficiencia general", explica de la Peña O'Shea. 

Los mecanismos de reacción de estos materiales se caracterizaron en el laboratorio utilizando una variedad de técnicas in situ avanzadas, incluyendo presión ambiente cercana, espectroscopía de fotoelectrones de rayos X, difracción de rayos X y radiación sincrotrón. Reactor solar A medida que los estudios del equipo revelaron que las heterouniones semiconductoras híbridas orgánicas/inorgánicas hechas de un polímero poroso conjugado tenían un rendimiento particularmente alto, diseñaron un reactor solar en fase gaseosa. Constaba de un reflector solar,un colector parabólico compuesto que redirige toda la radiación solar recibida hacia el reactor, y un reactor anular tubular hecho de vidrio de borosilicato, que es más resistente a las altas temperaturas. 

Se demostró que este prototipo de reactor produce con éxito hidrógeno solar tanto a partir de agua como de biomasa, así como de otros combustibles o productos químicos, como CO, CH4 y CH3OH, utilizando CO2 como reactivo. "Estos excelentes resultados para la producción de combustible solar ya han llevado a una planta piloto, aumentando nuestro conocimiento y permitiéndonos afinar procesos antes de considerar oportunidades de mercado", dice de la Peña O'Shea. "Necesitamos ampliar el uso de estos materiales híbridos para otras reacciones, más allá de la foto-, para incluir la foto(electro)catálisis, para combustibles y productos químicos más sofisticados, como el amoníaco, el etileno y el éter dimetílico". Ampliación para hacer frente a nuevos retos El equipo de HyMAP ya ha puesto en marcha un proyecto de prueba de concepto NanoCPPs, financiado por el CEI, para desarrollar una prueba de concepto que amplíe sus polímeros porosos conjugados nanoestructurados. "La nanoestructura de este polímero ofrece propiedades mejoradas, lo que abre la puerta a un mejor rendimiento", añade. 

Un reto pendiente es maximizar realmente las propiedades electrónicas de estos sistemas para que las alternativas propuestas y respetuosas con el medio ambiente a los actuales electrodos de almacenamiento electroquímico para baterías puedan realmente avanzar y hacerse realidad.