Investigadores del Centro de Investigación en Electroquímica y Energía Química (CELEQ) de la Universidad de Costa Rica (UCR) y del Helmholtz-Zentrum Berlin, de Alemania, recientemente publicaron un artículo en el que explican su investigación en minerales con el propósito de comprender la fotosíntesis y la fotosíntesis artificial para hacer frente al calentamiento global.
La publicación se dio bajo la autoría de Javier Villalobos, Diego González-Flores, Roberto Urcuyo, Mavis L. Montero, Götz Schuck, Paul Beyer y Marcel Risch en la revista Advanced Energy Materials, una de las más prestigiosas del mundo en temas de materiales relacionados con la energía.
Comprender
En una publicación en el sitio web de la UCR, el químico e investigador del CELEQ, Diego González-Flores, detalló algunos aspectos fundamentales sobre cómo las plantas y otros seres fotosintéticos obtienen su energía, para poder entender mejor el estudio realizado.
El proceso de la fotosíntesis consiste en absorber energía del sol, esa energía es utilizada para romper las moléculas del agua (H2O) y formar oxígeno (O2), iones hidronio (H+) y electrones (e-). Esos electrones e hidronios generados pueden ser empleados por las plantas para combinarlos con el CO2 que absorben del ambiente y formar sus combustibles.
Esos combustibles que fabrican las plantas son lo que generalmente se conocen como azúcares. Como parte del proceso fotosintético, el oxígeno es liberado a la atmósfera como un subproducto, el cual es esencial para nuestra respiración.
El ciclo de obtención y almacenamiento de energía que realizan las plantas y otros seres fotosintéticos tiene es muy importante porque utiliza la energía renovable del sol y fabrica los combustibles con sustancias abundantes como el agua y el CO2. Además, las plantas capturan el CO2 de la atmósfera en un ciclo que es carbono neutral y el producto de la reacción es el oxígeno que respiramos.
Ahora bien, a partir de la quema de combustibles fósiles la acumulación de CO2 en la atmósfera alcanzó concentraciones mayores a las 400 partes por millón que nunca habían sido vistas en la historia de nuestro planeta. Se estima que, de alcanzar niveles superiores a las 500 partes por millón, se podrían llegar a registrar consecuencias catastróficas para la vida en el planeta.
Por tal razón, uno de los retos que enfrenta la humanidad es lograr empatar las necesidades del crecimiento económico al mismo tiempo que se reducen significativamente las emisiones netas de CO2.
Una de las posibilidades es inspirarse en la naturaleza y basarse en la fotosíntesis para la captura y almacenamiento de energía. No obstante, lograr la fotosíntesis artificial es un gran desafío.
A la naturaleza le ha tomado millones de años llegar a su diseño actual. Uno de los principales problemas es que el proceso por el cual la molécula de agua se rompe es sumamente complejo y requiere de muchísima energía.
Para esa función, los seres fotosintéticos desarrollaron un sistema de proteínas que se conoce como el fotosistema dos. Se cree que los primeros seres fotosintéticos se dieron cuenta que si incorporaban un pequeño fragmento de roca en sus proteínas fotosintéticas, eran capaces de llevar a cabo la reacción más fácilmente.
En la parte de abajo se muestra el uso de los minerales de la familia de las vivianitas para la fotosíntesis artificial. Ilustración: Gabriel Jiménez / UCR
Importancia de la investigación tica-alemana
Los investigadores se están enfocando desde hace varios años en una familia de minerales conocidos como vivianitas. Esos materiales comparten muchas similitudes estructurales con el complejo del fotosistema dos y además pueden ser encontrados con diferentes metales, tales como hierro, cobalto y níquel.
Cuando se lleva a cabo la electrólisis del agua para producir hidrógeno, se requiere de sales disueltas en este líquido que permitan mantener la conducción iónica y la corriente. A estas se les suele llamar el electrolito.
Los estudios del CELEQ muestran que cuando se utilizan minerales de la familia de las vivianitas, el electrolito que se utilice también puede afectar la función y la estructura del mineral, al punto de que lo puede llevar inclusive a perder su estructura y desactivarse.
En el nuevo estudio se utilizó una vivianita como modelo para entender que existen electrolitos que permiten activar el catalizador y hacerlo más eficiente.
Por ejemplo, se observó que algunos electrolitos que contienen carbonato permiten modificar la estructura del mineral de manera tal que lo activan y lo hacen mejor catalizador. Además, los resultados exponen tres características importantes que deben cumplirse en el diseño de catalizadores eficientes.
Los investigadores esperan que la publicación sea el punto inicial para el diseño de sistemas avanzados con el fin de producir hidrógeno de forma eficiente y, por lo tanto, para los futuros sistemas de almacenamiento de energía y para el entendimiento de la fotosíntesis.
En la web de la UCR se detalla que la línea de investigación nació en dicho centro académico en el 2015, cuando el Dr. Diego González Flores realizaba su doctorado en el grupo del Dr. Holger Dau, en la Universidad Libre de Berlín.
Posteriormente, con la colaboración de la Dra. Mavis Montero Villalobos, investigadora de la Escuela de Química de la UCR, lograron publicar un artículo en la revista científica Angewandte Chemie, en el cual se estudiaba por primera vez la aplicación de uno de estos minerales a la electrólisis del agua para descomponerla electroquímicamente en oxígeno e hidrógeno.
En el 2019, González y el Dr. Roberto Urcuyo Solórzano crearon en el CELEQ el laboratorio LabVolta, que trabaja en dos líneas principales de investigación: las baterías y los combustibles sintéticos.
Actualmente, junto al investigador de la Escuela de Química, Javier Villalobos Porras, quien realiza sus estudios de doctorado en el Helmholtz-Zentrum Berlin de Alemania, mantienen activa la exitosa colaboración académica sobre el tema entre Costa Rica y el país europeo.
