Cèl·lules solars que capten CO2 i llum per produir combustible per fotosíntesi

Investigadors de la Universitat d'Illinois, a Chicago (UIC), han dissenyat una cèl·lula solar que converteix de manera barata i eficient el diòxid de carboni atmosfèric en combustible d'hidrocarbur, només gràcies a la llum del sol.
La troballa, que es detalla en un article publicat a la revista Science ha estat finançat per la Fundació Nacional de Ciència dels Estats Units i el Departament d'Energia dels Estats Units. Els autors han presentat una sol·licitud de patent provisional.

A diferència de les cèl·lules solars convencionals, que converteixen la llum solar en electricitat que s'ha d'emmagatzemar en bateries pesades, el nou dispositiu fa essencialment el treball de les plantes: convertir diòxid de carboni atmosfèric en combustible, solucionant dos problemes crucials alhora.
Una granja solar amb aquestes fulles artificials podria eliminar quantitats significatives de carboni de l'atmosfera i produir combustible d'alta densitat energètica de manera eficient. "La nova cèl·lula solar fotovoltaica és fotosintètica", diu l'autor principal de l'estudi, Amin Salehi-Khojin, professor assistent d'Enginyeria Mecànica i Industrial a la UIC. "En lloc de produir energia en una insostenible ruta unidireccional a partir de combustibles fòssils en gas d'efecte hivernacle, ara podem invertir el procés i reciclar el carboni atmosfèric en combustible usant llum solar", subratlla.

Mentre que les plantes produeixen combustible en forma de sucre, la fulla artificial subministra gas de síntesi, una barreja de gas d'hidrogen i monòxid de carboni. El gas de síntesi o sintegas es pot cremar directament o convertir-se en combustible dièsel o altres combustibles d'hidrocarburs.
La capacitat de convertir el CO2 en combustible a un cost comparable a un galó de gasolina, faria que els combustibles fòssils quedessin obsolets. Les reaccions químiques que converteixen CO2 en formes consumibles de carboni s'anomenen reaccions de reducció, al contrari de l'oxidació o la combustió.
Els enginyers han estat explorant diferents catalitzadors per impulsar la reducció de CO2, però fins ara aquestes reaccions han estat ineficients i es basen en costosos metalls preciosos com la plata. "El que necessitàvem era una nova família de productes químics amb propietats extraordinàries", diu Salehi-Khojin.
Ell i els seus companys de treball es van centrar en una família de compostos nanoestructurats anomenats dicalcogenuros de metalls de transició -TMDCs- com a catalitzadors, vinculant-los amb un líquid iònic no convencional com electròlit dins d'un de dos compartiments d'una cèl·lula electroquímica de tres elèctrodes.

Catalitzador mil vegades més ràpid
El millor de diversos catalitzadors estudiats va resultar ser diselenur de tungstè. "El nou catalitzador és més actiu i més capaç de trencar els enllaços químics del diòxid de carboni", apunta l'investigador postdoctoral de UIC, Mohammad Asadi, primer autor de l'article de Science.

De fet, detalla, el nou catalitzador és mil vegades més ràpid que els catalitzadors de metalls nobles i al voltant de 20 vegades més barat. Altres investigadors han utilitzat catalitzadors TMDC per produir hidrogen per altres mitjans, però no per reducció de CO2. El catalitzador no va poder sobreviure a la reacció.

La cèl·lula solar converteix el CO2 en gas mitjançant fotosíntesi
"Els llocs actius del catalitzador s'enverinen i s'oxiden", descriu Salehi-Khojin. El gran avanç, al seu parer, és utilitzar un fluid iònic denominat etil-metilimidazoli tetrafluoroborat, barrejat amb aigua al 50-50. "La combinació d'aigua i el líquid iònic forma un co-catalitzador que preserva llocs actius del catalitzador sota dures condicions de reacció de reducció", afegeix Salehi-Khojin.

El full artificial de la UIC es compon de dues cèl·lules fotovoltaiques de silici de triple unió de 18 centímetres quadrats per recollir la llum; un sistema de co-catalitzador de diselenur de tungstè i líquid iònic en el costat del càtode; i òxid de cobalt en l'electròlit de fosfat de potassi en el costat de l'ànode.
Quan la llum de cent watts per metre quadrat -a prop de la intensitat mitjana que arriba a la superfície de la Terra- dóna energia a la cèl·lula, l'hidrogen i el monòxid de carboni borbollen des del càtode, mentre que es produeixen ions d'oxigen i hidrogen lliures a l'ànode.
"Els ions d'hidrogen es difonen a través d'una membrana pel costat del càtode, per participar en la reacció de reducció de diòxid de carboni", explica Asadi. La tecnologia hauria de ser adaptable, no només per al seu ús a gran escala en com parcs solars, sinó també per a aplicacions a petita escala, segons Salehi-Khojin.


Font: El Periódico de la Energía