Tras tres años de investigación, el proyecto Licrox ha creado una célula fotoelectroquímica (PEC) que realiza un proceso similar al de la fotosíntesis para convertir la luz solar en energía almacenada en enlaces químicos. El PEC de Licrox está construido en una estructura compacta en tándem que comprende un fotoánodo, una célula solar orgánica semitransparente y un cátodo, que juntos permiten la absorción de luz solar de amplio espectro. Al término del proyecto, el consorcio de la iniciativa estudia ahora sus aplicaciones en la industria química.
El proyecto finalizó en agosto de 2023, y ha sido coordinado por el Instituto Catalán de Investigación Química (ICIQ). Ha contado con la colaboración del Instituto de Ciencias Fotónicas de Casteldefells (Barcelona), además de otras cinco entidades de Suiza, Alemania, Dinamarca e Italia. El proyecto Licrox ha tenido un coste de 3.199.602,50 euros, financiados por los fondos europeos del Programa Horizon 2020 – Tecnologías Futuras y Emergentes (FET).
La celda fotoelectroquímica de Linox
Las celdas fotoelectroquímicas (PEC, por sus siglas en inglés) son sistemas que convierten la luz solar en energía química almacenada de forma directa, evitando así pasos innecesarios, como la conversión de la luz solar en electricidad. Las plantas utilizan el proceso natural de la fotosíntesis para convertir la energía solar, el agua y el dióxido de carbono en combustible. Inspirándose en este proceso natural, los investigadores han desarrollado sistemas fotosintéticos artificiales que pueden convertir la energía solar en electricidad.
A pesar de su potencial, las PEC actuales son muy ineficientes a la hora de absorber la luz solar e incorporan en su mayoría elementos poco abundantes o altamente tóxicos. Por ello, el proyecto Licrox nace con la vocación de solucionar este problema, y por tanto, desarrollar y probar una PEC para convertir la luz solar en moléculas de carbono capaces de almacenar energía química.
La fotosíntesis artificial, un concepto inspirado en la capacidad de la naturaleza para convertir la luz solar en energía química, es una solución eficiente para combatir el cambio climático. El proyecto Licrox tenía como objetivo fabricar una célula fotoelectroquímica (PEC) capaz de utilizar la luz solar, el agua y el dióxido de carbono (CO₂) para producir moléculas con uno o dos átomos de carbono (C1 y C2). Esta tecnología tiene el potencial de revolucionar el almacenamiento de energía, ya que se ha convertido en un enfoque viable y rentable para convertir directamente la luz solar en energía química.
El PEC de Licrox está construido en una estructura compacta en tándem que comprende un fotoánodo, una célula solar orgánica semitransparente y un cátodo, que juntos permiten la absorción de luz solar de amplio espectro. Para impulsar las reacciones críticas de oxidación del agua y reducción del dióxido de carbono (CO₂RR), los catalizadores compuestos de metales no nobles, como el cobre y el hierro, se acoplan con nanopartículas o complejos moleculares en un electrolito acuoso a un pH casi neutro.
La PEC de Licrox se diferencia de otras soluciones similares en que incorpora mecanismos que potencian la eficacia de la captación de luz y la catálisis. Utilizando sólo elementos abundantes, estos mecanismos pueden impulsar selectivamente reacciones de oxidación del agua y de reducción del dióxido de carbono.
De este modo, la PEC de Linox es capaz de obtener eficazmente productos basados en el carbono, como el etileno, que es uno de los productos más importantes utilizados actualmente por la industria química.
Los investigadores validaron el potencial de transformación de la luz y el CO2 en compuestos químicos que almacenan energía, consiguiendo completar un acoplamiento final de un fotoánodo y una pila fotovoltaica orgánica con un cátodo oscuro. En este sentido, el uso de nuevos catalizadores en tándem que combinan nanopartículas de cobre con catalizadores moleculares permitió a los investigadores aumentar la selectividad hacia la producción de etileno.
Licrox ha sido un esfuerzo altamente multidisciplinar en el que se han unido especialistas en química, física, ingeniería, óptica e implicación social con el objetivo compartido de aportar nuevas soluciones innovadoras para la transición mundial de los combustibles fósiles a la energía solar.
Aplicaciones de la PEC de Licrox
Las principales inquietudes de los socios del proyecto es la importancia del agua dulce como recurso fundamental, así como el bajo nivel de madurez tecnológica del PEC de Licrox para su transferencia tecnológica. Asimismo, el consorcio del proyecto llegó a un consenso para estudiar las posibles implicaciones del uso de la tierra que el PEC requiere.
Los investigadores del proyecto destacan que sus hallazgos podrían contribuir a atenuar la dependencia de países no pertenecientes a la UE para el suministro de energía al aumentar la capacidad de producir combustible solar dentro de la UE, factores a su vez importantes para impulsar la aceptación social del proyecto. Por tanto, la utilización efectiva de la tierra, los escenarios de uso múltiple y las demostraciones claras de aceptabilidad social se consideraron esenciales para fomentar la inversión y la entrada en el mercado.
Por otro lado, la comunicación efectiva y la alfabetización energética se identificaron como factores clave para la aceptación de las tecnologías de combustible solar entre la población. Además, se reconoció que un posible conflicto de uso de la tierra entre las tecnologías basadas en la energía solar y otras aplicaciones era un desafío importante.
En cuanto a su implementación a gran escala, los investigadores destacan la importancia de pasar de los experimentos de laboratorio a las demostraciones prácticas para mostrar los beneficios económicos, así como comunicar la disponibilidad y la importancia de los combustibles solares en el presente, y no solo en un futuro lejano.
Por último, los investigadores señalan que la participación de una amplia gama de partes interesadas, incluida la sociedad, las comunidades locales y los trabajadores, es esencial para acelerar la adopción de la tecnología de Licrox.
Los investigadores están realizando las últimas pruebas de laboratorio y dando los últimos retoques a un prototipo preindustrial que se utilizará para ampliar y optimizar algunos de los resultados del proyecto. Tras los desarrollos alcanzados durante el proyecto, se espera que los socios industriales del consorcio abran el camino para su aplicación en la industria química.