Científicos de Cambridge han desarrollado un concepto eficiente para convertir el dióxido de carbono en combustibles limpios y sostenibles, sin subproductos ni residuos no deseados. Previamente se había demostrado que los catalizadores biológicos, o enzimas, pueden producir combustibles de forma limpia utilizando fuentes de energía renovables, pero con baja eficiencia.
La última investigación del equipo ha mejorado la eficiencia de producción de combustible 18 veces en un entorno de laboratorio, lo que demuestra que las emisiones contaminantes de carbono se pueden convertir en combustibles verdes de manera eficiente sin desperdiciar energía. Los resultados se informan en dos artículos relacionados en Nature Chemistry y Proceedings of the National Academy of Sciences.
La mayoría de los métodos para convertir CO2 en combustible también producen subproductos no deseados como el hidrógeno. Los científicos pueden alterar las condiciones químicas para minimizar la producción de hidrógeno, pero esto también reduce el rendimiento de la conversión de CO2: por lo que se puede producir un combustible más limpio, pero a costa de la eficiencia.
La prueba de concepto desarrollada por la Universidad de Cambridge se basa en enzimas aisladas de bacterias para impulsar las reacciones químicas que convierten el CO2 en combustible, un proceso llamado electrólisis. Las enzimas son más eficientes que otros catalizadores, como el oro, pero son muy sensibles a su entorno químico local. Si el entorno local no es exactamente el adecuado, las enzimas se deshacen y las reacciones químicas son lentas.
Los investigadores de Cambridge, en colaboración con un equipo de la Universidade Nova de Lisboa en Portugal, han desarrollado un método para mejorar la eficiencia de la electrólisis ajustando las condiciones de la solución para alterar el entorno local de las enzimas.
“Las enzimas han evolucionado durante millones de años para ser extremadamente eficientes y selectivas, y son excelentes para la producción de combustible porque no hay subproductos no deseados”, dijo la doctora Esther Edwardes Moore del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, primer autor del artículo de PNAS. “Sin embargo, la sensibilidad a las enzimas plantea un conjunto diferente de desafíos. Nuestro método tiene en cuenta esta sensibilidad, de modo que el entorno local se ajusta para que coincida con las condiciones de trabajo ideales de la enzima”.
Las enzimas, clave en el estudio
Los investigadores utilizaron métodos computacionales para diseñar un sistema para mejorar la electrólisis de CO2. Con el sistema basado en enzimas, el nivel de producción de combustible aumentó 18 veces en comparación con la solución de referencia actual.
Para mejorar aún más el medio ambiente local, el equipo mostró cómo dos enzimas pueden trabajar juntas, una produciendo combustible y la otra controlando el medio ambiente. Descubrieron que al agregar otra enzima, aceleraba las reacciones, aumentando la eficiencia y reduciendo los subproductos no deseados.
“Terminamos con el combustible que queríamos, sin productos secundarios y solo pérdidas marginales de energía, produciendo combustibles limpios con la máxima eficiencia”, dijo el doctor Sam Cobb, primer autor del artículo de Nature Chemistry. “Al inspirarnos en la biología, nos ayudará a desarrollar mejores sistemas de catalizadores sintéticos, que es lo que necesitaremos si vamos a implementar la electrólisis de CO2 a gran escala”.
“La electrólisis tiene un papel importante que desempeñar en la reducción de las emisiones de carbono”, dijo el profesor Erwin Reisner, quien dirigió la investigación. “En lugar de capturar y almacenar CO2, que consume mucha energía, hemos demostrado un nuevo concepto para capturar carbono y hacer algo útil a partir de él de una manera energéticamente eficiente”.
Lograr un CO2 más eficiente
Los investigadores dicen que el secreto para una electrólisis de CO2 más eficiente radica en los catalizadores. Ha habido grandes mejoras en el desarrollo de catalizadores sintéticos en los últimos años, pero aún no alcanzan las enzimas utilizadas en este trabajo.
“Una vez que logras hacer mejores catalizadores, muchos de los problemas con la electrólisis de CO2 simplemente desaparecen”, dijo Cobb. “Le estamos mostrando a la comunidad científica que una vez que podamos producir los catalizadores del futuro, podremos eliminar muchos de los compromisos que se están haciendo actualmente, ya que lo que aprendemos de las enzimas se puede transferir a los catalizadores sintéticos”.
“Una vez que diseñamos el concepto, la mejora en el rendimiento fue sorprendente”, dijo Edwardes Moore. “Me preocupaba que pasaríamos años tratando de entender qué estaba pasando a nivel molecular, pero una vez que realmente apreciamos la influencia del entorno local, evolucionó muy rápido”.
“En el futuro, queremos usar lo que hemos aprendido para abordar algunos problemas desafiantes con los que luchan los catalizadores de última generación actuales, como usar CO2 directamente del aire, ya que estas son condiciones en las que las propiedades de las enzimas como catalizadores ideales pueden realmente brillar”, dijo Cobb.
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