De la fotosíntesi natural a l’artificial: a la recerca de nous combustibles

La crisi climàtica derivada de l’ús de combustibles fòssils i l’associat augment de les emissions de CO2 fa cada vegada més urgent trobar combustibles sostenibles i renovables. Els científics i científiques han demostrat que la fotosíntesi artificial és capaç d’obtenir combustible a partir de l’aigua i la llum del sol, però l’eficiència del procés encara és baixa i cal trobar nous materials per dur-lo a terme. En aquest projecte descobriràs com podem copiar la fotosíntesi natural al laboratori i quines són les tècniques que hauràs de dominar per crear una fulla artificial que sigui capaç de produir combustible sostenible. L’objectiu és minvar l’impacte sobre el planeta trobant solucions més eficients que la natura. Ho aconseguirem?

Actualment el nostre planeta viu la pitjor crisi climàtica de la història degut a les emissions massives de CO₂ a l’atmosfera. Aquest CO₂ prové de la combustió dels combustibles fòssils (petroli, gasolina, gas natural...) que utilitzem per obtenir energia. L’augment de concentració de gasos hivernacle com el CO₂ provoca l’escalfament de la terra i, com a conseqüència, el nivell del mar està pujant i els períodes de sequeres mundials augmenta. Tot plegat fa urgent el desenvolupament d’energies renovables i sostenibles.

Si observem el nostre entorn podem veure com les plantes són capaces de crear la seva pròpia energia a partir de la llum solar, l’aigua i el CO₂. Us imagineu que nosaltres, com a científics i científiques, poguéssim aconseguir replicar aquest mateix procés? La fotosíntesi artificial és un procés químic que té com a objectiu imitar les plantes i obtenir combustible a partir de la llum solar i l’aigua a través de  la reacció de separació de l’aigua (2H₂O → 2H₂ + O₂), en la que obtenim hidrogen (H₂) com a combustible. Alternativament, el CO₂ també es pot fer servir per produir combustibles a base de carboni.

La separació de l’aigua no és una reacció que succeeixi espontàniament a la natura, sinó no tindríem aigua als mars i als rius, Per tant, per fer-la possible hem d’utilitzar sistemes molt complexos capaços de captar la llum solar i així aconseguir trencar els enllaços de la molècula de l’aigua per generar oxigen i hidrogen. L’ús d’hidrogen com a combustible permet l’obtenció de vapor d’aigua com a única emissió després de l’obtenció de l’energia.

Tot i aquests avantatges, l’eficiència d’aquesta reacció de separació de l’aigua encara és baixa i no existeix cap sistema capaç de dur-la a terme amb la perfecció requerida. Per tal d’avançar, és necessari trobar nous sistemes i descobrir en quin dels múltiples passos d’aquesta reacció complexa es perd l’eficiència que limita el procés. El repte és molt complicat i requereix una generació de científics i científiques amb coneixements de física, química i ciències de materials preparats per afrontar-lo. La natura ha aconseguit perfeccionar la fotosíntesi durant milions d’anys, no obstant, nosaltres no disposem de tant de temps!

L’objectiu principal del projecte és descobrir i estudiar les eines teòriques i pràctiques necessàries per a la recerca de nous catalitzadors capaços d’imitar els processos i reaccions que tenen lloc durant la fotosíntesi natural. En definitiva, familiaritzar-nos amb tot allò que necessitem per sintetitzar un catalitzador més eficient que la natura.

En aquest projecte, primer estudiarem les reaccions químiques que ocorren quan les plantes duen a terme la fotosíntesi. Farem una sortida pels voltants del centre de MónNatura Pirineus i mesurarem l’eficiència de la fotosíntesi de diferents arbres i plantes del Pirineu. Estudiarem els tres processos bàsics que es necessiten per transformar l’aigua en un combustible: l’absorció de llum, la conversió d’energia i la catàlisi.

Després anirem al laboratori per sintetitzar els nostres propis catalitzadors que duran a terme la fotosíntesi artificial. Investigarem dos tipus de catalitzadors: aquells que s’activen mitjançant reaccions electroquímiques (redox) i els que funcionen quan s’irradien amb llum (fotocatalitzadors). Compararem l’eficiència dels nostres catalitzadors amb la fotosíntesi natural i podrem veure quins són els més eficients. Per entendre les limitacions d’aquests processos, i així poder-los millorar, ens familiaritzarem amb diferents tècniques científiques emprades per estudiar aquests catalitzadors, com els rajos-X o l’espectroscòpia amb làsers. Això ens permetrà dissenyar i preparar nous catalitzadors per fer-los més eficients.

També construirem els nostres propis aparells de mesura per analitzar l’eficiència dels catalitzadors: un sistema de làsers amb LEGOs ens permetrà avaluar-ne les propietats òptiques, i programarem el software amb el sistema Raspberry Pi per adquirir les nostres dades, desenvolupant habilitats per a la quarta revolució industrial! Finalment, estudiarem com fer servir el combustible obtingut amb l’aigua amb una ‘fuel cell’. Fins i tot, farem una competició amb "hydrocars" per veure qui obté el millor rendiment!

Finalment, i respecte a anys anteriors, realitzarem una activitat pràctica de síntesi de catalitzadors basats en carboni i el seu ús en la fotodegradació de plàstics i residus alimentaris. A més a més, tindrem una conferència amb una persona experta que ens analitzarà l’economia de l’hidrogen des d’un punt de vista tecnoeconòmic.

El projecte de fotosíntesi artificial està enfocat en les assignatures de química, física i enginyeria, combinant el treball de camp i les pràctiques de laboratori. En aquest projecte estudiaràs les reaccions químiques induïdes per la llum (una disciplina anomenada fotoquímica), les reaccions electroquímiques (redox) i els conceptes de catàlisi i nanotecnologia. En definitiva, el projecte et donarà les eines per iniciar-te en aquesta recerca. Seràs capaç d’aportar una solució viable per salvar el planeta?

Projecte liderat per investigadors de la Universitat Jaume I (Espanya), Universitat de Cabmridge (UK), Universitat Autònoma de Barcelona (Espanya) i l’Imperial College London (Regne Unit). Projecte desenvolupat en anglès.