Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) han demostrado una nueva técnica, inspirada en un proceso metabólico que se encuentra en algunas bacterias, para convertir el dióxido de carbono (CO2) en acetato líquido, un ingrediente clave en la producción de “luz solar líquida” o combustibles solares a través de fotosíntesis artificial. El nuevo enfoque, informado en Nature Catalysis, podría ayudar a promover alternativas libres de carbono a los combustibles fósiles vinculados al calentamiento global y el cambio climático. El trabajo es también la primera demostración de un dispositivo que imita cómo estas bacterias sintetizan naturalmente acetato a partir de electrones y CO2. “Lo asombroso es que aprendimos cómo convertir selectivamente el dióxido de carbono en acetato al imitar cómo estos pequeños microorganismos lo hacen de forma natural”, dijo el autor principal Peidong Yang, quien tiene títulos de científico principal de la facultad en la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab y profesor de química y ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley. “Todo lo que hacemos en mi laboratorio para convertir el CO2 en productos útiles está inspirado en la naturaleza. En términos de mitigación de las emisiones de CO2 y lucha contra el cambio climático, esto es parte de la solución”. Durante décadas, los investigadores han sabido que una vía metabólica en algunas bacterias les permite digerir electrones y CO2 para producir acetato, una reacción impulsada por los electrones. La vía descompone las moléculas de CO2 en dos grupos químicos diferentes o “asimétricos”: un grupo carbonilo (CO) o un grupo metilo (CH3). Las enzimas en esta vía de reacción permiten que los carbonos en CO y CH3 se unan o “acoplen”, lo que luego desencadena otra reacción catalítica que produce acetato como producto final. Los investigadores en el campo de la fotosíntesis artificial han querido desarrollar dispositivos que imiten la química de la vía, llamados acoplamiento carbono-carbono asimétrico, pero encontrar electrocatalizadores sintéticos que funcionen tan eficientemente como los catalizadores enzimáticos naturales de las bacterias ha sido un desafío. “Pero pensamos que si estos microorganismos pueden hacerlo, uno debería poder imitar su química en el laboratorio”, dijo Yang.
Fomento de la fotosíntesis artificial con cobre hambriento de carbono
El talento del cobre para convertir el carbono en varios productos útiles se descubrió por primera vez en la década de 1970. Con base en esos estudios previos, Yang y su equipo razonaron que los dispositivos de fotosíntesis artificial equipados con un catalizador de cobre deberían poder convertir el CO2 y el agua en grupos metilo y carbonilo, y luego convertir estos productos en acetato. Entonces, para un experimento, Yang y su equipo diseñaron un dispositivo modelo con una superficie de cobre; luego, expusieron la superficie de cobre a yoduro de metilo líquido (CH3I) y gas CO, y aplicaron una polarización eléctrica al sistema. Los investigadores plantearon la hipótesis de que el CO se pegaría a la superficie de cobre, lo que desencadenaría el acoplamiento asimétrico de los grupos CO y CH3 para producir acetato. En los experimentos se utilizó CH3I marcado con isótopos para rastrear la vía de reacción y los productos finales. (Un isótopo es un átomo con más o menos neutrones (partículas sin carga) en su núcleo que otros átomos de un elemento). Y tenían razón. Los experimentos químicos analíticos realizados en el laboratorio de Yang en la UC Berkeley revelaron que el emparejamiento de grupos carbonilo y metilo del cobre no solo producía acetato, sino también otros líquidos valiosos, incluidos el etanol y la acetona. El seguimiento isotópico permitió a los investigadores confirmar que el acetato se formó mediante la combinación de CO y CH3. En otro experimento, los investigadores sintetizaron un material ultrafino a partir de una solución de nanopartículas de cobre y plata, cada una de tan solo 7 nanómetros (mil millonésimas de metro) de diámetro. Luego, los investigadores diseñaron otro dispositivo modelo, esta vez en capas con el material delgado de nanopartículas. Como era de esperar, la polarización eléctrica desencadenó una reacción, lo que llevó a las nanopartículas de plata a convertir el CO2 en un grupo carbonilo, mientras que las nanopartículas de cobre transformaron el CO2 en un grupo metilo. Los análisis posteriores en el laboratorio de Yang revelaron que otra reacción (el codiciado acoplamiento asimétrico) entre el CO y el CH3 sintetizaba productos líquidos como el acetato. A través de experimentos de microscopía electrónica en Molecular Foundry, los investigadores descubrieron que las nanopartículas de cobre y plata están en estrecho contacto entre sí, formando sistemas en tándem, y que las nanopartículas de cobre sirvieron como centro catalítico para el acoplamiento asimétrico. Yang dijo que estas nanopartículas de cobre y plata podrían combinarse potencialmente con nanocables de silicio que absorben la luz en el diseño futuro de sistemas de fotosíntesis artificial eficientes. En 2015, Yang codirigió un estudio que demostró un sistema de fotosíntesis artificial compuesto por nanocables semiconductores y bacterias que utilizan la energía de la luz solar para producir acetato a partir de dióxido de carbono y agua. El hallazgo tuvo implicaciones significativas para un campo en crecimiento en el que los investigadores han pasado décadas buscando las mejores reacciones químicas para producir altos rendimientos de productos líquidos a partir de CO2. El nuevo estudio avanza este trabajo anterior al demostrar un electrocatalizador sintético, las nanopartículas de cobre y plata, que “imitan claramente lo que hacen las bacterias para producir productos líquidos a partir de CO2”, dijo Yang. “Todavía tenemos mucho trabajo por hacer para mejorarlo, pero estamos entusiasmados con su potencial para avanzar en la fotosíntesis artificial”. Investigadores de Berkeley Lab y UC Berkeley participaron en el estudio. Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias del DOE. Molecular Foundry es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Berkeley Lab.