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? I si poguéssim crear una fulla artificial capaç de produir combustible per omplir el dipòsit del cotxe o escalfar casa nostra? En aquest projecte descobriràs com podem 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 del voltant del centre de MónNatura Pirineus, i descobrirem nous catalitzadors que permetin imitar aquest procés. Podrem els químics ser més eficients que la natura?

Projecte liderat per investigadors de l’Imperial College London (Regne Unit). 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. 

www.imperial.ac.uk

 

Les energies renovables són una alternativa al consum de combustibles fòssils. Entre 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 poder imitar els processos i reaccions que tenen lloc durant la fotosíntesi natural.

En aquest projecte, primer 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 arbres i plantes del Pirineu. 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 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. També 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 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. En aquest projecte estudiarem les reaccions químiques induïdes per la llum (una disciplina anomenada fotoquímica), les reaccions electroquímiques (redox), i conceptes de catàlisi i nanotecnologia.

 

EQUIP INVESTIGADOR

Camilo Mesa

Actualment està cursant el seu últim any de doctorat a l’imperial College London on va començar l’any 2014 al grup del James Durrant. El seu projecte es basa en l’estudi mecanístic de diferents processos d’oxidació en semiconductors. Prèviament s’havia llicenciat en Química per la Universidad Nacional de Colombia el 2008 i posteriorment va obternir 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 desenvolupar al Imperial College London estudiant l’efecte de l’incorporacio de catalitzadors damunt de l’hematita com a fotoanode 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, també 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 (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 a l'ICIQ”, l’”Imperial Festival” a Londres i altres edicions del programa Joves i Ciència.

Ernest Pastor

Actualment és investigador postdoctoral al Imperial College London. Prèviament havia estat investigador postdoctoral al Lawrence Berkeley Laboratory a Califòrnia pel 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 (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 les fires “Imperial Festival” i “Inspire” al Museu de Ciència de Londres i altres edicions del programa Joves i Ciència. És co-autor de 7 articles científics. L’any 2014 va guanyar el premi al millor professor de pràctiques de laboratori de l'Imperial College.

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 la generació de combustibles moleculars, com l’hidrogen, per això el Michael estudia oxids de metals de transició i polímers orgànics. Fa servir tècniques espetroscòpiques resoltes en el temps a temps ultra ràpids per seguir es processos que tenen lloc després de l’absorció de la llum, per tal d’entendre quins són els factors que limiten la eficiència final.

Shababa Selim

Després de graduar-se del màster en química per l’Imperial College London el 2016, actualment està cursant el doctorat al grup del Prof. James Durrant sota la supervisió d’ell mateix i Dr. Andreas Kafizas en el camp de combustibles solars. El seu projecte consisteix en l’estudi de oxids metàl·lics com a fotoànodes per l’obtenció d’hidrogen i oxigen a partir de llum solar, fent servir tècniques espectroscopiques de resolucio temporal i tècniques fotoelectroquímiques per tal d’entendre els comportament de les càrregues fotogenerades. Ha participat en edicions anteriors de Joves i Ciència així com a l’Imperial Festival.