Biocombustible de hidrógeno a partir de la luz solar
La luz del sol se podría utilizar como fuente de energía para la producción de hidrógeno separando el agua en sus elementos constituyentes mediante fotosíntesis artificial. Un grupo de investigadores europeos ha utilizado un nuevo método que integra nanomateriales semiconductores con enzimas biológicas catalíticamente activas para reducir protones a hidrógeno en un electrolito acuoso expuesto a la luz solar. El objetivo inicial del proyecto 1DH2OP (Coupling of one-dimensional TiO2 with hydrogenase: simultaneous visible-light driven H2 production and treatment of an organic pollutant) era mejorar el uso de materiales de electrodo enzimático. Su trabajo se basó en dos enzimas, la Photosystem II (PSII) para la oxidación del agua y la hidrogenasa para la reducción de protones. El segundo objetivo del proyecto era desarrollar una estrategia para inmovilizar la hidrogenasa en un fotocátodo de p-Si para la producción de hidrógeno, lo que permitiría el desarrollo de una celda fotoelectroquímica en tándem basada en enzimas. Se consiguió así desarrollar un sistema fotocatalítico no asistido para la división de las moléculas de agua empleando la luz solar. Además, los científicos investigaron dos procesos simultáneos para la producción de hidrógeno (H2) y la reducción del dióxido de carbono (CO2) a través de un complejo de formiato hidrogenilasa bacteriana. El trabajo realizado condujo al diseño de nuevos sistemas biomiméticos artificiales para aplicaciones bioenergéticas. Los integrantes del proyecto consiguieron ensamblar la celda fotoelectroquímica biohíbrida basada en enzimas, fotocátodos basados en enzimas y procesos enzimáticos con la producción de H2 y la reducción de CO2 simultáneas. Se demostró así la versatilidad de las enzimas biológicas cuando se acoplan con materiales inorgánicos y semiconductores. El acoplamiento directo de la PSII a la hidrogenasa resultó ser una ruta eficiente para la producción fotobiológica de H2. Se espera conseguir mejoras adicionales en las eficiencias de conversión de la luz en producto mediante avances en la interficie PSII-fotoánodo. Se utilizó dióxido de titanio (TiO2) como capa protectora y capa interficial eficiente para la inmovilización de la hidrogenasa. También proporcionó una plataforma viable para la unión de la enzima a un semiconductor de tipo p con el fin de llevar a cabo la reducción de protones promovida por la luz en reacciones catalíticas. Se podrían obtener mejoras adicionales de la capa interficial aplicando una capa fina de TiO2 con el método de deposición de capas atómicas. El trabajo realizado en el marco del proyecto 1DH2OP con la formiato hidrogenilasa ha revelado un sistema excepcional que permite llevar a cabo reacciones enzimáticas para la producción de H2 y la reducción de CO2 con un único complejo. Así, el sistema biomimético desarrollado se podría utilizar para la producción de biocombustible H2. Eso favorecerá la competitividad del Espacio Europeo de Investigación en energías renovables y mitigación del cambio climático.
Palabras clave
Energía solar, nanomateriales semiconductores, 1DH2OP, photosystem II, hidrogenasa, fotocátodo de p-Si, celda fotoelectroquímica, fotocátodo, fotoánodo de formiato hidrogenilasa, dióxido de titanio
