El gran objetivo de la fotosíntesis artificial es producir hidrógeno, el vector energético del siglo XXI. La mejor manera de transportarlo en vehículos de hidrógeno es usar amoníaco (se condensa fácilmente en un líquido y contiene un 17,6% de hidrógeno en peso). Lo ideal sería producir directamente el amoníaco a partir de la luz solar. Por primera vez se ha logrado gracias a la síntesis inducida por plasmones, un proceso fotoelectroquímico catalizado por nanopartículas de oro.
La síntesis de amoníaco a nivel industrial es costosa porque el proceso de Haber-Bosch (reacción de nitrógeno (aire) e hidrógeno (metano) para producir amoníaco) requiere alta presión (150-300 atmósferas), alta temperatura (400-500 °C) y su rendimiento es bajo (10-20%). Se publica en Angewandte Chemie un nuevo proceso barato y muy prometedor. Quizás los futuros coches con pilas de hidrógeno utilicen como “combustible” el amoníaco producido en plantas solares.
El artículo técnico es Tomoya Oshikiri, Kosei Ueno, Hiroaki Misawa, “Plasmon-Induced Ammonia Synthesis through Nitrogen Photofixation with Visible Light Irradiation,” Angewandte Chemie 53: 9802–9805, 08 Sep 2014.
La luz visible (550 nm) incide sobre el fotoelectrodo de titanato de estroncio (SrTiO3) dopado con un 0,05% (en peso) de niobio (Nb) que actúa como pared que separa dos celdas: en el cara del ánodo el Nb-SrTiO3 está recubierto de nanopartículas de oro (Au) y en la cara del cátodo de rutenio (Ru). La reacción fotoelectroquímica inducida por plasmones requiere un gradiente de pH entre ambas cámaras. En el ánodo se usa una solución acuosa de hidróxido de potasio (KOH) y etanol (EtOH). En el cátodo se usa una solución acuosa de ácido clorhídrico (HCl). El amoníaco (NH3) se forma en la superficie de rutenio por reducción de nitrógeno gaseoso (aire) que rellena la cámara del cátodo.
Esta figura (izquierda) muestra la formación de NH3 en la cámara del cátodo (en nanomoles) en función del tiempo de irradiación solar (en horas). La producción es lineal con el tiempo de irradiación solar (puntos azules), simulada con una lámpara de xenón. Las nanopartículas de oro son fundamentales: Los puntos rojos corresponden al Nb-SrTiO3 sin nanopartículas de Au pero bajo irradiación y los puntos negros al Nb-SrTiO3 con nanopartículas de Au sin irradiación (de la lámpara de xenón).
En la parte derecha se muestra la eficiencia cuántica (aparente) de la formación de NH3 en función de la longitud de onda incidente. La línea continua representa la predicción teórica basada en un modelo cinético de la resonancia entre plasmones superficiales y nanopartículas de oro. Futuros estudios tendrán que estudiar en detalle el papel de los plasmones en el proceso de síntesis. Entender la ciencia básica de este proceso permitirá optimizarlo.
En resumen, se ha logrado por primera vez la “fotosíntesis artificial” de amoníaco, pero faltan décadas para que el nuevo proceso de síntesis inducida por plasmones se transforme en un proceso industrial que pueda competir con el proceso de Haber-Bosch. Aún así, como muchas otras aplicaciones nanotecnológicas emergentes, creo que se le puede augurar un futuro muy prometedor.
Coda final. Esta anotación participa en el XXXIX Carnaval de la Química cuyo anfitrión es el blog Gominolas de petróleo.
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