La fotosíntesis artificial es un desafío muy interesante para la investigación básica, ya que toca esencialmente todas las áreas de la nanotecnología molecular a la vez (transferencia de energía, electrones y moléculas, cambios conformacionales de moléculas, mecánica cuántica, incluidos fenómenos dependientes del tiempo sin equilibrio, catálisis, organización de la jerarquía estructuras). El esfuerzo invertido en esta dirección probablemente avanzará indirectamente en muchos otros campos, ya que es típico de la investigación básica.
La pregunta es qué tan útil puede ser la fotosíntesis artificial desde el punto de vista aplicado. Ahí soy bastante escéptico. La fotosíntesis artificial tiene que competir con alternativas como 1) fotovoltaica + electrólisis y 2) biomasa . Obviamente, ambas tecnologías son mucho más maduras y simples. Por lo tanto, es razonable preguntar:
- ¿Puede la fotosíntesis artificial superar a las alternativas por eficiencia o potencia?
- ¿Puede ser rentable con respecto a las plantas? Las plantas son, por un lado, terriblemente ineficientes (1% de energía solar convertida en hidrocarburos frente a 20-30% en energía fotovoltaica). Pero las plantas crecen por sí mismas: no es necesario que las produzca en una fábrica de alta tecnología.
Fotosíntesis vs. fotovoltaica
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La física básica de la captura de energía de la luz en la energía fotovoltaica y en la fotosíntesis es muy similar: el fotón excita un electrón desde el estado fundamental a un nivel de energía más alto. Este es un fenómeno muy general que puede ocurrir en muchos materiales y moléculas. La eficiencia de este proceso está determinada por la misma fotofísica básica (por ejemplo, por el límite de shockley quiser) tanto para la fotovoltaica como para la fotosíntesis.
El electrón que viaja dentro del sistema para encontrar estados de menor energía. El electrón se recombinaría espontáneamente después de poco tiempo. La clave es recolectar o utilizar el electrón excitado antes de la recombinación. Si bien hay muchos materiales en los que los electrones pueden ser excitados por la luz, solo unos pocos han desarrollado métodos para extraer los electrones antes de la recombinación. La fotovoltaica y la fotosíntesis son dos estrategias diferentes para abordar este problema.
La energía fotovoltaica drena los electrones del material en un electrodo metálico. El electrón normalmente se recombina en microsegundos o nanosegundos, y se mueve muy lentamente en otro material que no sea el metal. Por lo tanto, es muy difícil extraer suficiente antes de la recombinación. Parte de la energía potencial (voltaje de polarización) se sacrifica para superar la resistencia interna y acelerar la transferencia de electrones del medio fotoactivo al electrodo.
La fotosíntesis drena los productos de reacción . El mecanismo común de cómo el electrón puede perder algo de energía espontáneamente es inducir alguna reacción química. En la fotosíntesis usamos un catalizador para hacer una reacción particular (las que conducen al producto deseado) mucho más rápido que otras vías posibles.
La ventaja de la fotosíntesis es que el electrón (que es muy reactivo) se utiliza in situ y no tiene que viajar muy lejos antes de la recombinación. Pero el desafío es encontrar dicha reacción que conduzca a un producto rico en energía pero estable, y tal catalizador que lo haga muy rápido pero selectivo. El catalizador también debe estar bien acoplado a la fuente de electrones (la molécula excitada).
Otra pregunta es cómo extraer eficientemente los productos de reacción. Cada catalizador cataliza la reacción en ambas direcciones. Si los productos de reacción no se drenan lo suficientemente rápido del reactor, perderá la mayor parte de la producción por reacción inversa (que también ocurre en la naturaleza).
Por ejemplo, los productos de la fotólisis del agua son H2 y O2 (o H2O2) al principio se disuelven en agua. En presencia de un catalizador eficiente antes de que incluso formen boubles, reaccionan de nuevo al agua. Por lo tanto, tal vez se requiera algo de membrana para separar la liberación de H2 y O2. En la electrólisis, esto se resuelve automáticamente ya que se liberan en electrodos macroscópicamente separados.
En resumen, la pregunta se puede formular como: ¿Es más fácil 1) extraer electrones o 2a) catalizar la reacción y 2b) extraer productos de reacción.
