Fotosíntesi artificial: llum i aigua com a fonts d’energia

T’imagines com seria el món si poguéssim obtenir combustibles a partir de l’aigua i la llum del sol, tal com ho fan les plantes? I si poguéssim crear una fulla artificial capaç de fer la fotosíntesi i utilitzar el combustible produït per omplir el dipòsit del cotxe o escalfar casa nostra? En aquest projecte descobriràs com copiar la fotosíntesi natural al laboratori, per tal de descobrir diferents maneres d’utilitzar i emmagatzemar l’energia solar. Investigarem quina és l’eficiència de la fotosíntesi natural de les plantes de Planes de Son que envolten el centre de Món Natura Pirineus, i descobrirem nous catalitzadors que permetin imitar aquest procés. Podrem els químics ser més eficients que la natura?

Projecte liderat per investigadors de la Teesside University i l’Imperial College London (Regne Unit), l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suïssa) i el Lawrence Berkeley Laboratory (Califòrnia, Estats Units).

 

La Teesside University és una universitat líder amb una reputació internacional per la seva educació enriquida per la recerca, la innovació i el compromís amb les empreses. Mitjançant el projecte Teesside 2020 pretén apostar per un nou model d’universitat basat en l’excel·lència acadèmica. 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’École Polytechnique Féderale de Lausanne és la universitat tècnica més cosmopolita d'Europa amb estudiants, professors i personal provinent de més de 120 nacions. Líder en ensenyament, recerca i transferència tecnològica, treballa en conjunt amb una àmplia xarxa d’entitats de referència, líders al món. El Lawrence Berkeley Laboratory (Califòrnia, Estats Units) és un institut membre del Departament d’Energia dels Estats Units, associat a la Universitat de Califòrnia. Referent en múltiples camps i disciplines científiques i tecnològiques, el “Berkeley Lab” és sinònim d’excel·lència i 13 premis Nobel han passat pels seus laboratoris.

www.tees.ac.ukwww.imperial.ac.ukwww.epfl.chwww.lbl.gov

 

Projecte desenvolupat en anglès i català

Les energies renovables són una alternativa al consum de combustibles fòssils. Dintre d’aquestes, l’energia solar és la que té més potencial, ja que arriba més energia a la superfície terrestre en una hora que la que es consumeix a nivell mundial en un any. El problema de l’energia solar, per això, és que és intermitent i necessita un sistema d’emmagatzematge.

La fotosíntesi artificial és una disciplina que vol aconseguir la reacció de separació de l’aigua (H2O a H2 + O2) per a obtenir hidrogen (H2) com a combustible que es pugui emmagatzemar. Aquesta reacció, per això, és molt difícil i encara no existeix cap catalitzador capaç de dur-la a terme de manera eficient. L’objectiu principal d’aquest projecte és la recerca de nous catalitzadors per a poder imitar els processos i reaccions que tenen lloc durant la fotosíntesi natural.

En la primera fase del projecte, estudiarem els processos i reaccions químiques que tenen lloc durant la fotosíntesi natural de les plantes. Farem una sortida pels voltants del centre de Món Natura Pirineus, i mesurarem l’eficiència de la fotosíntesi natural de diversos arbre i plantes a diferents hores del dia. Analitzarem quines espècies són més eficients i veurem com les reaccions químiques de les plantes canvien en funció de la intensitat de llum. També estudiarem els tres processos bàsics que es necessiten per a transformar l’aigua en un combustible: l’absorció de llum, la conversió d’energia i la catàlisi.

En una segona fase, ens traslladarem al laboratori per a 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. Caracteritzarem la composició i estructura dels catalitzadors mitjançant tècniques experimentals i computacionals i valorarem com podem millorar-ne l’estructura per a fer-los més eficients.

Construirem els nostres propis aparells de mesura per a analitzar l’eficiència dels catalitzadors: un espectrofotòmetre fet amb LEGOs ens permetrà avaluar-ne les propietats òptiques, i programarem el software amb el sistema Raspberry Pi. Finalment, estudiarem com fer servir el combustible obtingut amb l’aigua amb una “fuel cell” i farem una competició amb els “hydrocars” per a veure qui obté més rendiment! Aquest projecte està enfocat en les assignatures de química, física i enginyeria; i basat majoritàriament en treball de camp i pràctiques de laboratori.

 

EQUIP INVESTIGADOR

Anna Reynal

Professora titular en Química Inorgànica a la Teesside University (Regne Unit). La seva recerca es basa en l’estudi de dispositius moleculars per a la conversió de l’energia solar en electricitat (fotovoltaica) o en combustible (fotosíntesi artificial). Es va llicenciar en Química a la Universitat de Girona (UdG) i doctorar en Nanociència i Nanotecnologia a l’Institut Català d’Investigació Química (ICIQ). Ha treballat com a investigadora a l’Imperial College London i com a docent a la Newcastle University. És coautora de 20 articles científics i ha participat en diversos projectes R+D d’àmbit nacional i internacional. També ha participat en diverses activitats de divulgació científica, incloent altres edicions del programa Joves i Ciència i fires al Museu de Ciència i Museu d’Història Natural de Londres.

Ernest Pastor

Investigador postdoctoral al Lawrence Berkeley Laboratory a Califòrnia (Estats Units). La seva recerca es basa en l’estudi mitjançant cristal·lografia i espectroscòpia de rajos X de sistemes biològics com 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, on va rebre el premi extraordinari de llicenciatura, i doctorat en química a l’Imperial College London (Regne Unit). Ha participat en activitats de divulgació científica, com ara les fires “Imperial Festival” i “Inspire” al Museu de Ciència de Londres i altres edicions del programa ̈Joves i Ciència”. És coautor de 7 articles científics. L’any 2014 va guanyar el premi al millor professor de pràctiques de laboratori de l'Imperial College London. 

Laia Francàs

Llicenciada en Química per la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), 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 fotosíntesis de les plantes. Després va continuar la seva recerca al Institut Català d’Investigació Química (ICIQ), 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 l'Imperial College London (Regne Unit) amb una beca Marie Curie al grup del Prof. James Durrant per seguir investigant aquesta interacció entre la llum, els catalitzadors i els semiconductors per tal de produir oxigen des del punt de vista fotoquímic. Durant aquests anys també ha participat en diferents activitats de divulgació, com ara “Química i família al ICIQ”,  l’”Imperial Festival” a Londres i altres edicions del programa Joves i Ciència.

Florian Le Formal

Llicenciat en ciència dels materials a l'Escola Europea de Química, Polímers i Ciència dels materials a Estrasburg (França). Va obtenir un doctorat en Química i Enginyeria Química de la Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL), durant el quan va investigar en fotoànodes per a l’oxidació de l'aigua, sota la supervisió del Prof. Grätzel. La seva recerca va continuar al grup del Prof. James Durrant a l’Imperial College London (Regne Unit), amb una beca de la Fundació Nacional de Ciència de Suïssa. Actualment treballa com a investigador a EPFL. Les seves principals àrees d'investigació són la fotoquímica i l'electroquímica de semiconductors d'òxids metàl·lics, incloent el desenvolupament de tècniques avançades de caracterització com ara transitoris i impedància espectroscòpies.