Los catalizadores son sustancias que aceleran la velocidad de las reacciones químicas, sin consumirse durante el proceso de reacción. Un nuevo estudio de la Universidad del Estado de Arizona explora diferentes enfoques de la catálisis en muchas aplicaciones industriales, como el desarrollo de soluciones de energía verde para abordar la crisis climática,
Los catalizadores enzimáticos son tan importantes por naturaleza que la vida sería imposible sin ellos, ya que conducen a muchos procesos químicos vitales.
Las reacciones químicas que de otro modo requerirían horas o incluso días para ocurrir, pueden desarrollarse en menos de un segundo con la ayuda de catalizadores enzimáticos.
Los catalizadores químicos se han utilizado en una variedad de aplicaciones humanas, que van desde el desarrollo farmacéutico hasta plásticos biodegradables y fertilizantes ambientalmente seguros. También pueden promover el desarrollo de soluciones de energía verde para abordar la crisis climática, un área que el grupo de Moore ha perseguido activamente.
Moore es investigadora en el Centro de Biodiseño para Descubrimiento Estructural Aplicado de la Universidad Estatal de Arizona y profesora asociada en la Facultad de Ciencias Moleculares. Se le une Daiki Nishiori, un estudiante graduado de la Facultad de Ciencias Moleculares y autor principal del nuevo estudio, así como Brian Wadsworth, un ex alumno graduado de la escuela que ahora trabaja en Intel Corporation. Los hallazgos del estudio aparecen en la edición actual de la revista Chem Catalysis .
Catalizadores de cerca
El nuevo estudio se basa en las investigaciones sobre el comportamiento de los catalizadores de Moore y sus colegas de ASU, así como de otros investigadores en el campo. El artículo de perspectiva actual describe tres formas de catálisis: enzimática, electrocatalítica y fotoelectrosintética, que describe el progreso hasta la fecha y destaca algunos de los desafíos restantes que enfrentan los científicos que buscan una comprensión integral de estos importantes fenómenos.
Ilustración que destaca las tres formas de catálisis descritas en el nuevo estudio. Gráfico de Jason Drees
Si bien se ha aprendido mucho a través del estudio de la catálisis enzimática en organismos vivos, los investigadores esperan desarrollar alternativas sintéticas que puedan mejorar los diseños de la naturaleza.
«Es un desafío imitar las enzimas biológicas para la catálisis», dice Nishiori. “Las enzimas biológicas tienen estructuras proteicas complejas y tridimensionales” y operan en condiciones bastante diferentes a las de la mayoría de los catalizadores creados por humanos.
En cambio, los investigadores esperan producir una nueva gama de catalizadores sintéticos para impulsar reacciones químicas con alta eficiencia. Los resultados satisfactorios podrían mejorar en gran medida la producción industrial de muchos productos que benefician a la sociedad. Estos incluyen nuevos tipos de combustibles neutros en carbono o libres de carbono.
«Cubrimos una buena cantidad de espacio material en este artículo, incluida la catálisis química tradicional por enzimas, así como los procesos electrocatalíticos mediados por complejos biológicos y / o sintéticos», dice Moore.
El estudio pasa luego a describir sistemas híbridos que capturan energía de luz radiante y la utilizan para impulsar reacciones de transferencia de carga. El paralelo obvio en la naturaleza es con los procesos fotosintéticos llevados a cabo por plantas.
Las tecnologías fotosintéticas artificiales no pueden simplemente replicar el modelo de la naturaleza
Además de una comprensión limitada de las relaciones estructura-función que gobiernan su desempeño, las plantas fotosintéticas convierten y almacenan apenas el 1% de la luz solar incidente recolectada por sus hojas en forma de enlaces químicos. Estos vínculos constituyen, en última instancia, los alimentos que comemos y, en escalas de tiempo geológico más prolongadas, los combustibles fósiles basados en carbono de los que dependen nuestras sociedades modernas.
Esto es todo lo que una planta sana necesita para desarrollarse y reproducirse, pero es insuficiente para aplicaciones humanas.
El diseño de nuevos dispositivos fotoelectrosintéticos implica utilizar tecnología de captación de luz, similar a las células fotovoltaicas actuales, y acoplarla a una fina capa de material catalítico. En este esquema, los portadores de carga se transfieren desde una superficie semiconductora a sitios catalíticos. Una vez que un catalizador ha acumulado suficientes portadores de carga, entra en un estado llamado activado, lo que permite que proceda la catálisis. El proceso se puede utilizar para producir hidrógeno a partir de agua o para producir formas reducidas de CO 2, incluidos metano, monóxido de carbono, combustibles líquidos y otros productos de utilidad industrial.
“En el caso de una celda solar más tradicional, su objetivo final es convertir la luz solar en energía eléctrica. Los sistemas que estamos desarrollando utilizan energía solar para impulsar energéticamente transformaciones químicas cuesta arriba ”, dice Moore.
En lugar de producir electricidad, la luz solar que incide conduce a reacciones químicas catalizadas que, en última instancia, generan combustibles.
“Aquí, los combustibles que estamos describiendo no están vinculados a fuentes de carbono fósil. Podemos desarrollar una química libre de carbono, incluida la transformación del agua en gas hidrógeno, que podría servir como combustible, o podemos utilizar el CO 2 de la atmósfera para generar combustibles que contienen carbono ”, dice Moore. «En este último ejemplo, aunque los combustibles resultantes están basados en carbono, no se liberan nuevas fuentes de CO 2 a la atmósfera». El proceso es una forma de reciclaje de carbono.
Moore se refiere a tecnologías como fotoelectrosintéticas. Si bien son una gran promesa para producir energía limpia y una generación más limpia de productos industriales útiles, comprender la química tanto a nivel teórico como práctico es un desafío. Los fotones de los portadores de luz y carga utilizados para impulsar la catálisis son entidades cuánticas, con propiedades particularmente sutiles que los investigadores todavía están luchando por modelar con precisión.
La producción de tecnologías efectivas para abordar los desafíos energéticos futuros requerirá una comprensión matemática más completa de la dinámica de captación de luz, así como los procesos catalíticos y el movimiento de carga. El estudio actual proporciona un paso tentativo en esta dirección.
Junto con estos avances, los investigadores en ciencia de materiales necesitarán diseñar materiales que puedan explotar mejor estos procesos, fabricados a partir de materiales duraderos y asequibles.
Nuevos caminos a través del laberinto de energía
Además de los obstáculos puramente científicos que deben abordarse, Moore afirma que los cambios en las políticas públicas serán impulsores críticos para que las tecnologías energéticas más ecológicas tengan éxito.
“Es abrumador competir con una tecnología existente que implica simplemente perforar un agujero en el suelo para extraer una fuente de energía que ya está allí”, dice Moore.
También será vital un público con formación científica, capaz de tomar decisiones de voto informadas que tengan un impacto en la forma en que la sociedad invierte en la infraestructura futura.
“¿Queremos optar por realizar inversiones en tecnologías que minimicen el impacto del cambio climático, o seguimos haciendo uso de una infraestructura energética con componentes y procesos que tienen más de cien años?”, pregunta Moore, quien tiene la esperanza de que los avances en las tecnologías enzimáticas, electrocatalíticas y fotoelectrosintéticas desempeñen un papel importante en un futuro energético más sostenible y menos destructivo.
Fuente: ASU
