Catálisis enzimática, electrocatálisis y fotoelectrosíntesis
Ilustración que destaca las tres formas de catálisis descritas en el nuevo estudio. Crédito: Gráfico de Jason Drees, The Biodesign Institute de la Universidad Estatal de Arizona
Con cada día que pasa, el lado oscuro de nuestra dependencia de los combustibles fósiles se vuelve más evidente. Además de reducir las emisiones de dióxido de carbono, la sociedad debe encontrar alternativas sostenibles para impulsar el mundo moderno.
En un nuevo estudio, Gary Moore y su grupo de investigación están explorando diferentes enfoques de la catálisis, un proceso químico que juega un papel fundamental en las reacciones biológicas, así como en muchas aplicaciones industriales.
Los catalizadores son sustancias que aceleran la velocidad de las reacciones químicas, sin consumirse durante el proceso de reacción. Los catalizadores enzimáticos son tan importantes por naturaleza que la vida sería imposible sin ellos porque las condiciones dentro de las células vivas no conducen a muchos procesos químicos vitales. Las reacciones químicas que de otro modo tomarían horas o incluso días pueden tener lugar en menos de un segundo utilizando 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.
Gary Moore es investigador del Biodesign Center for Applied Structural Discovery y de la Facultad de Ciencias Moleculares de ASU. Crédito: Instituto de Biodiseño de la Universidad Estatal de Arizona
Moore es investigadora del Biodesign Center for Applied Structural Discovery (CASD) y profesora asociada de la Facultad de Ciencias Moleculares (SMS) de ASU. Se le une Daiki Nishiori, un estudiante graduado en SMS y autor principal del nuevo estudio, así como Brian Wadsworth, un ex estudiante graduado en SMS que ahora trabaja en Intel Corporation.
Los resultados del estudio aparecen en la edición actual de la revista. Catálisis química.
Catalizadores de cerca
El nuevo estudio se basa en encuestas sobre el comportamiento del catalizador realizadas por Moore y sus colegas de ASU y otros investigadores en el campo. El artículo de perspectiva actual describe tres formas de catálisis: enzimática, electrocatalítica y fotoelectrosintética, que describe el progreso logrado hasta la fecha y destaca algunos de los desafíos restantes que enfrentan los científicos que buscan una comprensión integral de estos importantes fenómenos.
Si bien el estudio de la catálisis enzimática en organismos vivos ha aprendido mucho, los investigadores esperan desarrollar alternativas sintéticas que puedan mejorar las concepciones de la naturaleza. «Es difícil imitar las enzimas biológicas para la catálisis», dice Nishiori. “Las enzimas biológicas tienen estructuras proteicas tridimensionales complejas” y operan en condiciones muy diferentes a las de la mayoría de los catalizadores artificiales.
Daiki Nishiori es investigador del Centro de Biodesign para el Descubrimiento Estructural Aplicado y de la Escuela de Ciencias Moleculares de ASU. Crédito: Instituto de Biodiseño de la Universidad Estatal de Arizona
En cambio, los investigadores esperan producir una nueva línea de catalizadores sintéticos para impulsar reacciones químicas con alta eficiencia. Los resultados positivos podrían mejorar enormemente la producción industrial de muchos productos beneficiosos para la sociedad. Estos incluyen nuevos tipos de combustibles neutros en carbono o sin carbono.
«Cubrimos una gran 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. Luego, el estudio pasa a la descripción de 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 las plantas.
Pero las tecnologías de fotosíntesis artificial no pueden simplemente replicar el patrón 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 capturada por sus hojas como enlaces químicos. Estos vínculos constituyen, en última instancia, los alimentos que consumimos y, en escalas de tiempo geológicas más largas, los combustibles fósiles basados en carbono de los que dependen nuestras sociedades modernas. Esto es todo lo que una planta sana necesita para prosperar y reproducirse, pero es insuficiente para aplicaciones humanas.
Investigación esclarecedora
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 continúe la catálisis. El proceso se puede utilizar para producir hidrógeno a partir de agua o para producir formas reducidas de CO2, incluyendo 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 ascendentes ”, dice Moore. En lugar de generar electricidad, la luz solar incidente 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 química libre de carbono, incluida la conversión del agua en hidrógeno gaseoso, que podría usarse como combustible, o podemos usar CO2 de la atmósfera para generar combustibles que contienen carbono ”, dice Moore. «En este último ejemplo, aunque los combustibles resultantes son a base de carbono, ninguna nueva fuente de CO2 se liberan a la atmósfera. El proceso es una forma de reciclaje de carbono.
Moore se refiere a estas tecnologías como fotoelectrosintéticas. Aunque son prometedores para la producción de energía limpia y la generación más limpia de productos industriales útiles, es difícil comprender la química tanto a nivel teórico como práctico. 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 eficientes para enfrentar los desafíos energéticos futuros requerirá una comprensión matemática más profunda de la dinámica de la captación de luz, así como de los procesos catalíticos y el movimiento de carga. Este estudio es un primer paso en esta dirección.
Junto con estos avances, los científicos de materiales necesitarán diseñar materiales que se adapten mejor a la explotación de estos procesos, hechos de materiales sostenibles y asequibles.
Nuevos caminos a través del laberinto de energía
Además de los obstáculos puramente científicos que hay que superar, Moore dice que los cambios en las políticas públicas serán factores clave para que las tecnologías energéticas más ecológicas tengan éxito. “Es intimidante competir con una tecnología existente que solo implica 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 afecten la forma en que la sociedad invierte en la infraestructura futura. “¿Elegimos invertir en tecnologías que minimicen el impacto del cambio climático o seguimos utilizando una infraestructura energética con componentes y procesos que tienen más de cien años?
Moore espera que los avances en tecnologías enzimáticas, electrocatalíticas y fotoelectrosintéticas jueguen un papel importante en un futuro energético más sostenible y menos destructivo.
Referencia: «Paralelos entre catálisis enzimática, electrocatálisis y fotoelectrólisis» por Daiki Nishiori, Brian L. Wadsworth y Gary F. Moore, 14 de octubre de 2021, Catálisis química.
DOI: 10.1016 / j.checat.2021.09.008
