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

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 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?

Projecte liderat per investigadors i investigadores de l’Imperial College London (Regne Unit) i l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO). Projecte desenvolupat en anglès i català. 

L’Imperial College London és una de les millors universitats del món amb una reputació excel·lent en l’ensenyament i la investigació científiques. Està compromesa en la formació de la generació de científics del futur a través de l’ensenyament multidisciplinari, per tal de fer front als reptes globals en termes d’innovació, ciència, recerca i educació. L'Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) és una institució de recerca jove que té com a objectiu fer avançar els límits del coneixement de la fotònica, la ciència i la tecnologia de la llum. Els programes de recerca de l’ICFO s'emmarquen en línies de frontera de primer nivell mundial i tenen l'objectiu d'encarar els importants desafiaments als què s'enfronta la societat pel que fa als problemes, actuals i de futur, en salut, energia, informació, seguretat, protecció i cura del medi ambient.

www.imperial.ac.ukwww.icfo.eu

 

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, 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 Món Natura 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!

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?

 

EQUIP INVESTIGADOR

Camilo Mesa

Actualment és investigador post-doctoral a l’Imperial College London on va acabar el seu doctorat l’any 2019 al grup del James Durrant. L’any 2019 va guanyar el premi a la millor tesi doctoral al departament de química de l'Imperial College. El seu projecte es bassa en l’estudi mecanístic de diferents processos d’oxidació en semiconductors. Prèviament es va llicenciar en Química per la Universidad Nacional de Colombia el 2008 i, posteriorment, va obtenir el seu màster en un programa conjunt entre la Royal Institute of Technology (Suècia) i la universitat de Bologna (Itàlia) l’any 2011. Aquest projecte de màster el va dur a terme a l’Imperial College London estudiant l’efecte de la incorporació de catalitzadors a l’hematita com a fotoànode per oxidació de l’aigua. La divulgació també ha format part de la seva formació, va coordinar i desenvolupar un projecte per alumnes d’institut a Colòmbia, ha participat a l’Imperial Festival i en altres edicions del programa Joves i Ciència.

Laia Francàs

Llicenciada en Química per la Universitat Autònoma de Barcelona (2006), on posteriorment va desenvolupar el seu doctorat dins el programa de catàlisi homogènia. La seva recerca està dins el marc de catalitzadors moleculars per oxidar aigua, imitant el que fa possible la fotosíntesi de les plantes. Després va continuar la seva recerca a l’Institut Català d’Investigació Química (2011-2014) i a l’Imperial College London (2015-2018), on va estudiar la funció d’aquests catalitzadors així com la seva interacció amb la llum per tal d’incorporar-los en un dispositiu capaç de dur a terme la producció d’hidrogen a partir de llum solar i aigua. Actualment, treballa a l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) com a project manager, on gestiona i ajuda en la preparació de projectes europeus. Durant aquests anys també ha participat en diferents activitats de divulgació, com ara Química i família a l’ICIQ, l’Imperial Festival a Londres i altres edicions del programa Joves i Ciència.

Ernest Pastor

Actualment és investigador post-doctoral a l’Institut de ciències fotòniques (ICFO), a Barcelona. Prèviament havia estat investigador post-doctoral al Lawrence Berkeley Laboratory a Califòrnia fent recerca mitjançant cristal·lografia i espectroscòpia de rajos X de sistemes biològics sobre el fotosistema II i materials per a la reducció fotoelectroquímica de protons i CO2 a combustibles. Es va llicenciar en Química a la Universitat de València (2012), pel qual va rebre el premi extraordinari de llicenciatura, i doctorat en química a l’Imperial College London (2015). Ha participat en activitats de divulgació científica, com ara la fira Imperial Festival i altres edicions del programa Joves i Ciència. És co-autor de 21 articles científics. L’any 2014 va guanyar el premi com a professor de pràctiques de laboratori de l'Imperial College.

Lorenzo Mognon

Es va llicenciar en Química a l’Universita degli Studi di Padova l’any 2008 i va cursar el màster a la mateixa universitat (2011). Durant aquest projecte va estudiar reaccions d’oxidació catalítiques heterogènies. Posteriorment, va cursar els estudis de doctorat a l’Institut Català d’Investigació Química (ICIQ) a Tarragona, on va desenvolupar, sintetitzar, caracteritzar i avaluar diferents catalitzadors moleculars homogenis i per oxidació d’aigua. Actualment, és investigador post-doctoral amb una Royal Society-CNR international fellowship a l’Imperial College London on treballa en el disseny, síntesi i caracterització de diferents compostos de coordinació per múltiples aplicacions. Durant aquests anys ha supervisat i introduït al món de la recerca a diferents estudiants de màster, doctorat i intercanvi. Ha participat en altres edicions del programa  Joves i Ciència.

Michael Sachs

Va obtenir el seu màster en Molecular Science a la Universitat de Erlangen-Nuremberg (Alemanya) el 2015, tot seguit va rebre la beca “Imperial College President’s PhD Scholarship” per començar el seu doctorat al grup del Prof. James Durrant al departament de química. La seva recerca es basa en la investigació de materials desordenats capaços d’absorbir la llum solar per a la generació de combustibles moleculars, com l’hidrogen. Per això el Michael estudia òxids de metalls de transició i polímers orgànics. Fa servir tècniques espectroscòpiques a temps ultra ràpids per seguir els processos que tenen lloc després de l’absorció de la llum, per tal d’entendre quins són els factors que limiten l’eficiència final. Ha participat en altres edicions del programa Joves i Ciència.

Daniel Pérez

Es va graduar en Física a la Universitat de València (2015). Després d’una estada al grup de fotònica de la Universitat Jaume I va obtenir el Màster en Fotònica dins del programa multi-institucional de la UPC, UB, UAB e ICFO (2016). Actualment és estudiant de doctorat al grup del professor Simon Wall a l’ICFO, on utilitza llum làser per a estudiar la dinàmica fora de l’equilibri en sistemes sòlids complexos i rajos-X per fer imatges a escala manomètrica de materials com ara els superconductors d’alta temperatura.