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El mundo actual atraviesa por diferentes crisis que amenazan a la humanidad, siendo ésta la única causante de tales tribulaciones. Uno de los reflejos de tales crisis se encuentra en la contaminación del ambiente; y debido a que todavía se puede remediar esta situación, científicos y tecnólogos de todo el mundo trabajan constantemente buscando soluciones a este problema.
Nuestras actividades humanas, como el transporte y la producción de bienes y servicios, dejan a su paso una estela de contaminación constituida principalmente de dióxido de carbono (CO2). Este gas es uno de los principales causantes del efecto invernadero el cual provoca la elevación de la temperatura del mundo y cuyas consecuencias son desastrosas para el medio ambiente: destrucción de corales, muerte de especies marinas, derretimiento de los polos y aumento del nivel del mar, incremento de la intensidad de los huracanes, entre otros. Por este motivo, muchos científicos se han dado a la búsqueda de formas para evitar que el CO2 llegue a la atmósfera, y una de estas maneras es a través de materiales que conviertan este gas en algún producto menos nocivo, incluso que se pueda aprovechar como fuente de energía.
Las plantas aprovechan la energía del sol para convertir el CO2 en energía en un proceso llamado fotosíntesis. El CO2, un gas nocivo y contaminante, es transformado en azúcares que la planta aprovecha, los cuales no son tóxicos y constituyen su fuente de energía. De forma análoga, se han desarrollado materiales que pueden convertir el CO2 en sustancias que no son contaminantes y son aprovechables como fuentes de energía. Este proceso se llama fotosíntesis artificial y los materiales empleados son catalizadores. Ya que estos materiales aprovechan la luz visible o del sol, se conocen también como fotocatalizadores.
Uno de los materiales fotocatalíticos estudiados para convertir el CO2 en fuentes de energía son los nanoalambres de silicio (Figura 1). Estos se fabrican a partir del silicio, el mismo material que se utiliza para crear microchips presentes en nuestros teléfonos celulares, computadoras, hornos de microondas, vehículos, etc. La fabricación de nanoalambres de silicio se lleva a cabo con la ayuda de ácido fluorhídrico, la misma sustancia que utilizan los artesanos para grabar sobre vidrio y crear esas figuras que decoran algunas puertas. Sin embargo, en este proceso de grabado, en lugar de obtener formas artísticas se obtienen estructuras tan pequeñas que a simple vista no se pueden notar. En la Figura se puede observar una fotografía obtenida con un microscopio, donde se ha ampliado la imagen hasta 1000 veces. Los filamentos en forma de alambres finos (de ahí su nombre de nanoalambres) son mucho más delgados que un cabello humano y su longitud no supera las 75 micras (si dividiéramos un milímetro en 1000 partes, los nanoalambres de silicio medirán como máximo 75 de esas partes de longitud).
Los nanoalambres de silicio tienen la capacidad de hacer posible la conversión de ciertas sustancias en otras. Por ejemplo, en años recientes se ha descubierto que pueden convertir el CO2 en ciertas fuentes de energía como metanol (alcohol metílico), formol, alcohol etílico, entre otros. Así como el CO2 es absorbido y convertido por las plantas, los nanoalambres de silicio convierten este gas en las sustancias recién mencionadas cuando entran en contacto con ellos. No obstante, así como las plantas utilizan la energía del sol para realizar la fotosíntesis, con los nanoalambres de silicio es posible realizar una fotosíntesis artificial con ayuda de alguna fuente de energía como la solar, la electricidad o ambas. Así como las hojas de los árboles en un bosque pueden limpiar el aire de CO2, una placa de silicio que contiene un arreglo de nanoalambres se comportaría como un prado artificial nanoscópico (como nos podríamos imaginar con ayuda de la ilustración junto a la microfotografía de los nanoalambres de silicio) que ayuda a remover el CO2 y convertirlo en formas de energía que se pueden volver a aprovechar.
Los nanoalambres de silicio forman parte de una clase de materiales conocidos como fotocatalizadores, los cuales tienen la propiedad de ayudar a la conversión de sustancias (son catalizadores) en presencia de una fuente de luz (solar o visible). Cuando las moléculas de CO2 entran en contacto con los nanoalambres de silicio, los electrones que se encuentran presentes en su interior se transportan hacia el CO2, y tras una serie de complejas reacciones, los productos finales suelen ser metanol, ácido fórmico, formaldehído, monóxido de carbono (CO) entre otros. El rendimiento de la producción de estas sustancias se aumenta en presencia de luz, y puede ser mejorado si además se le inyecta energía eléctrica a los nanoalambres de silicio, haciendo que funcionen como un electrodo (cátodo). Este proceso de conversión de CO2 se conoce como reducción fotocatalítica de CO2.
Actualmente siguen existiendo retos detrás de la conversión de CO2, en donde se busca principalmente incrementar la cantidad de productos derivados de la reducción de este gas. La búsqueda de nuevos materiales catalíticos que permitan no sólo invertir una cantidad mínima de energía para propiciar la reducción del CO2, sino que además sean amigables con el ambiente son temas de interés en este campo de la investigación.
* Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica, S. C. (CIDETEQ)
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