La industria química, responsable de la producción de cientos de miles de compuestos, transforma materias primas, generalmente combustibles fósiles, en productos útiles. Sin embargo, esta actividad genera aproximadamente el 6% de las emisiones globales de carbono.
Un equipo de investigadores liderado por la Universidad de Cambridge ha desarrollado métodos innovadores que podrían conducir a la *desfossilización* de este sector crucial. Han creado un dispositivo híbrido que combina polímeros orgánicos capaces de captar luz con enzimas bacterianas para convertir luz solar, agua y dióxido de carbono en formiato, un combustible que puede impulsar transformaciones químicas adicionales.
Este “hoja semi-artificial” imita la fotosíntesis, el proceso natural mediante el cual las plantas convierten la luz solar en energía y no requiere ninguna fuente de energía externa. A diferencia de prototipos anteriores que dependían de absorbentes tóxicos o inestables, el nuevo diseño biohíbrido evita semiconductores dañinos y presenta una mayor durabilidad, funcionando sin químicos adicionales que limitaban su eficiencia.
Nuevas aplicaciones y resultados prometedores
En pruebas realizadas, los investigadores utilizaron luz solar para transformar dióxido de carbono en formiato y lo emplearon directamente en una reacción química tipo “dominó” para producir un compuesto esencial utilizado en farmacéuticos, logrando altos rendimientos y pureza.
Los resultados obtenidos, publicados en la revista Joule, marcan un hito al ser la primera vez que se utilizan semiconductores orgánicos como componente captador de luz en este tipo de dispositivos biohíbridos. Esto abre la puerta a una nueva familia de hojas artificiales sostenibles.
La industria química es fundamental para la economía mundial, produciendo desde productos farmacéuticos hasta plásticos y productos electrónicos. El profesor Erwin Reisner, del Departamento Yusuf Hamied de Química de Cambridge y líder del estudio, enfatiza: “Si queremos construir una economía circular y sostenible, debemos abordar el gran problema que representa esta industria.”
Innovación sin componentes tóxicos
El grupo de investigación de Reisner se especializa en el desarrollo de hojas artificiales que convierten la luz solar en combustibles y productos químicos basados en carbono sin depender de combustibles fósiles. Sin embargo, muchos diseños anteriores requerían catalizadores sintéticos o semiconductores inorgánicos que se degradan rápidamente o contienen elementos tóxicos como el plomo.
"Si podemos eliminar los componentes tóxicos y comenzar a utilizar elementos orgánicos, obtendremos reacciones químicas limpias con un único producto final", afirma la doctora Celine Yeung, coautora principal del estudio. “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 provenientes de bacterias reductoras de sulfato, permitiendo dividir agua en hidrógeno y oxígeno o convertir dióxido de carbono en formiato.
Desafíos superados y futuro prometedor
Los investigadores también han abordado un desafío persistente: muchos sistemas requieren aditivos químicos conocidos como tampones para mantener las enzimas activas. Estos pueden descomponerse rápidamente y limitar la estabilidad del sistema. Al incorporar una enzima auxiliar llamada anhidrasa carbónica dentro de una estructura porosa de titania, lograron que el sistema funcionara con una simple solución bicarbonatada —similar al agua con gas— sin aditivos insostenibles.
"Es como un gran rompecabezas", comenta el doctor Yongpeng Liu, coautor principal e investigador postdoctoral en el laboratorio de Reisner. "Hemos estado tratando de unir todos estos componentes para un único propósito." Tras arduos esfuerzos, están comenzando a ver los frutos del trabajo realizado.
"Al estudiar cómo funciona la enzima, pudimos diseñar con precisión los materiales que componen las diferentes capas del dispositivo", explica Yeung. "Este diseño permitió que las partes trabajaran juntas más efectivamente." Las pruebas mostraron que la hoja artificial generaba altas corrientes y alcanzaba casi una eficiencia perfecta al dirigir electrones hacia reacciones productoras de combustible. Además, el dispositivo funcionó durante más de 24 horas: más del doble del tiempo logrado por diseños anteriores.
Perspectivas futuras para la producción sostenible
A medida que los investigadores continúan desarrollando sus diseños para extender la vida útil del dispositivo y adaptarlo a diferentes tipos de productos químicos, Reisner concluye: "Hemos demostrado que es posible crear dispositivos alimentados por energía solar que son no solo eficientes y duraderos sino también libres de componentes tóxicos o insostenibles. Esto podría ser una plataforma fundamental para producir combustibles verdes y productos químicos en el futuro; es realmente una oportunidad emocionante para hacer química importante."
Esta investigación fue apoyada parcialmente por diversas instituciones como la Agencia para Ciencia, Tecnología e Investigación (A*STAR) de Singapur, el Consejo Europeo de Investigación y UK Research and Innovation (UKRI).
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