Esta hoja artificial transforma la contaminación en energía
Fotocátodo orgánico semiartificial en funcionamiento (Vista frontal). Crédito: Celine Yeung
Fecha: 2 de noviembre de 2025
Fuente: Universidad de Cambridge
Resumen: Investigadores de Cambridge han diseñado una «hoja artificial» alimentada por energía solar que imita la fotosíntesis para producir valiosos productos químicos de forma sostenible. Su dispositivo biohíbrido combina semiconductores orgánicos y enzimas para convertir el CO₂ y la luz solar en formiato con alta eficiencia. Es duradero, no tóxico y funciona sin combustibles fósiles, lo que abre el camino a una industria química más ecológica.
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«Si queremos construir una economía circular y sostenible, la industria química representa un problema complejo que debemos abordar», afirmó el profesor Erwin Reisner, del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, quien dirigió la investigación. «Tenemos que encontrar la manera de descarbonizar este importante sector, que produce tantos productos esenciales que todos necesitamos. Es una gran oportunidad si lo hacemos bien».
Es aproximadamente el 6% de las emisiones totales de carbono del mundo.
Ahora, un equipo liderado por la Universidad de Cambridge está explorando enfoques innovadores que podrían, con el tiempo, “desfosilizar” esta industria vital.
Su avance consiste en un dispositivo híbrido que combina polímeros orgánicos que absorben la luz y enzimas bacterianas para transformar la luz solar, el agua y el dióxido de carbono en formiato, un combustible limpio que puede impulsar reacciones químicas adicionales.
Esta «hoja semiartificial» replica la fotosíntesis, el proceso natural que las plantas utilizan para convertir la luz solar en energía, y funciona completamente con su propia energía. A diferencia de los diseños anteriores que dependían de absorbentes de luz tóxicos o inestables, este nuevo modelo biohíbrido utiliza materiales no tóxicos, funciona de manera más eficiente y se mantiene estable sin aditivos adicionales.
En pruebas de laboratorio, el equipo utilizó con éxito la luz solar para convertir el dióxido de carbono en formiato y luego lo aplicó directamente en una reacción en cadena para sintetizar un valioso compuesto utilizado en productos farmacéuticos, logrando un alto rendimiento y pureza.
Según los hallazgos publicados en Joule , esta es la primera vez que los semiconductores orgánicos han servido como componente de captura de luz en un sistema biohíbrido de este tipo, abriendo el camino a una nueva generación de hojas artificiales ecológicas.
La industria química sigue siendo un pilar fundamental de la economía mundial, produciendo una amplia gama de bienes, desde medicamentos y fertilizantes hasta plásticos, pinturas, productos electrónicos, agentes de limpieza y artículos de aseo personal.
«Si queremos construir una economía circular y sostenible, la industria química representa un problema complejo que debemos abordar», afirmó el profesor Erwin Reisner, del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, quien dirigió la investigación. «Tenemos que encontrar la manera de descarbonizar este importante sector, que produce tantos productos esenciales que todos necesitamos. Es una gran oportunidad si lo hacemos bien».
El grupo de investigación de Reisner se especializa en el desarrollo de hojas artificiales que transforman la luz solar en combustibles y productos químicos a base de carbono sin depender de combustibles fósiles. Sin embargo, muchos de sus diseños anteriores dependen de catalizadores sintéticos o semiconductores inorgánicos, que se degradan rápidamente, desperdician gran parte del espectro solar o contienen elementos tóxicos como el plomo.
«Si logramos eliminar los componentes tóxicos y comenzar a usar elementos orgánicos, obtenemos una reacción química limpia y un único producto final, sin reacciones secundarias indeseadas», afirmó la Dra. Celine Yeung, coautora principal del estudio, quien realizó la investigación como parte de su doctorado en el laboratorio de Reisner. «Este dispositivo combina lo mejor de ambos mundos: los semiconductores orgánicos son ajustables y no tóxicos, mientras que los biocatalizadores son altamente selectivos y eficientes».
El nuevo dispositivo integra semiconductores orgánicos con enzimas de bacterias reductoras de sulfato, dividiendo el agua en hidrógeno y oxígeno o convirtiendo el dióxido de carbono en formiato.
Los investigadores también abordaron un problema de larga data: la mayoría de los sistemas requieren aditivos químicos, conocidos como tampones, para mantener la actividad enzimática. Estos se degradan rápidamente y limitan la estabilidad. Al incorporar una enzima auxiliar, la anhidrasa carbónica, en una estructura porosa de titania, lograron que el sistema funcionara en una solución simple de bicarbonato —similar al agua con gas— sin aditivos no sostenibles.
“Es como un gran rompecabezas”, dijo el Dr. Yongpeng Liu, investigador postdoctoral y coautor principal del estudio, en el laboratorio de Reisner. “Tenemos todos estos componentes diferentes que hemos estado tratando de reunir con un solo propósito. Nos llevó mucho tiempo descubrir cómo se inmoviliza esta enzima específica en un electrodo, pero ahora estamos empezando a ver los frutos de estos esfuerzos”.
“Al estudiar en profundidad cómo funciona la enzima, pudimos diseñar con precisión los materiales que componen las distintas capas de nuestro dispositivo tipo sándwich”, explicó Yeung. “Este diseño permitió que las partes trabajaran juntas de forma más eficaz, desde la nanoescala hasta la hoja artificial completa”.
Las pruebas demostraron que la hoja artificial producía altas corrientes y alcanzaba una eficiencia casi perfecta en la dirección de electrones hacia las reacciones de producción de combustible. El dispositivo funcionó con éxito durante más de 24 horas: más del doble de tiempo que los diseños anteriores.
Los investigadores esperan seguir desarrollando sus diseños para prolongar la vida útil del dispositivo y adaptarlo para que pueda producir diferentes tipos de productos químicos.
«Hemos demostrado que es posible crear dispositivos que funcionan con energía solar que no solo son eficientes y duraderos, sino que además están libres de componentes tóxicos o insostenibles», afirmó Reisner. «Esto podría ser una plataforma fundamental para la producción de combustibles y productos químicos ecológicos en el futuro; es una oportunidad real para realizar investigaciones químicas apasionantes e importantes».
Esta investigación contó con el apoyo parcial de la Agencia de Ciencia, Tecnología e Investigación de Singapur (A*STAR), el Consejo Europeo de Investigación, la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia, la Real Academia de Ingeniería y UK Research and Innovation (UKRI). Erwin Reisner es miembro del St John's College de Cambridge. Celine Yeung es miembro del Downing College de Cambridge.
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Fuente de la historia:
Materiales proporcionados por la Universidad de Cambridge . Nota: El contenido puede haber sido editado por estilo y extensión.
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Referencia de la revista:
Celine Wing See Yeung, Yongpeng Liu, David M. Vahey, Samuel J. Cobb, Virgil Andrei, Ana M. Coito, Rita R. Manuel, Inês AC Pereira, Erwin Reisner. Interfaz de hojas semiartificiales para semiconductores orgánicos y enzimas en la síntesis química solar . Joule , 2025; 102165 DOI: 10.1016/j.joule.2025.102165
Universidad de Cambridge . « Esta hoja artificial convierte la contaminación en energía ». ScienceDaily. ScienceDaily, 2 de noviembre de 2025. < www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251102011148.htm > .
