De la luz solar al combustible: el profesor Ong Wee Jun lidera el impulso de Malasia a la fotosíntesis artificial

Una pregunta de la infancia se convierte en una misión energética nacional

Cuando cursaba cuarto de primaria y estudiaba la fotosíntesis, Ong Wee Jun planteó una pregunta sencilla: ¿se podría aprovechar la luz solar, como hacen las plantas, para impulsar la vida moderna? Esa curiosidad se convirtió en el trabajo de su vida. El científico malasio persigue ahora el mismo principio con herramientas de la nanociencia y la catálisis, y almacena la luz solar en los enlaces de combustibles limpios.

El profesor Ong es vicedecano de la Universidad Xiamen de Malasia y director fundador del Centro de Excelencia en Tecnología de Nanociencia Energética y Catálisis, conocido como CONNECT. Junto con su equipo, diseña hojas artificiales que imitan los pasos esenciales de la fotosíntesis. Sus dispositivos utilizan nanomateriales diseñados, en lugar de clorofila, para producir moléculas ricas en energía.

CONNECT investiga la producción de hidrógeno a partir del agua, la conversión de CO2 en metanol y otros productos químicos, y la transformación de residuos plásticos en combustibles. La visión a largo plazo incluye plantas modulares de hidrógeno impulsadas por energía solar que puedan abastecer a comunidades rurales y acercar la ciencia de vanguardia a las necesidades cotidianas.

Qué hace realmente la fotosíntesis artificial

La fotosíntesis artificial utiliza materiales que absorben luz y catalizadores para convertir la luz solar en energía química. El dispositivo absorbe fotones, genera cargas móviles y las utiliza para separar el agua o reducir el dióxido de carbono. El resultado es un combustible que puede almacenarse, transportarse y utilizarse cuando no hay sol.

En la separación del agua, una reacción libera oxígeno y otra produce hidrógeno. Los semiconductores aportan la energía, mientras que los catalizadores reducen la barrera de cada reacción. El hidrógeno sirve como vector energético para las pilas de combustible y como insumo limpio para producir amoníaco, acero y productos refinados.

La transformación del CO2 en combustibles sigue el mismo principio. Los catalizadores diseñados para este fin dirigen los electrones para transformar el CO2 en monóxido de carbono, ácido fórmico o metanol. Los dispositivos pueden ser fotocatalizadores en polvo, celdas fotoelectroquímicas con electrodos que absorben luz o sistemas electrocatalíticos alimentados con electricidad renovable. El objetivo es el mismo: un funcionamiento estable, con alta eficiencia y un costo razonable.

De los avances de laboratorio a proyectos reales en Malasia

CONNECT vincula la investigación con su aplicación mediante colaboraciones con la industria y el Gobierno. En agosto de 2024, la Universidad Xiamen de Malasia anunció que el profesor Ong había recibido una subvención del Diálogo de Colaboración Académica de PETRONAS por más de RM1 millón. El proyecto busca utilizar la fotosíntesis artificial con energía solar para convertir el CO2 procedente de la quema de gas en terminales terrestres en productos químicos valiosos, abordando directamente una fuente de emisiones industriales.

El programa de PETRONAS seleccionó 61 proyectos de entre 588 solicitudes presentadas por 25 universidades. Para CONNECT, esta subvención refuerza una cartera que incluye un prototipo de sistema solar de producción de hidrógeno, cuya finalización está prevista para mediados de 2026; catalizadores diseñados para reducir los gases de efecto invernadero, y métodos para transformar residuos de aceite de palma en grafeno e hidrógeno verde. El hilo conductor de estos esfuerzos es sencillo: llevar nanocatalizadores prometedores de las pruebas controladas de laboratorio a dispositivos resistentes que funcionen al aire libre.

Cómo funciona la ciencia dentro de estos catalizadores

La fotosíntesis artificial se basa en tres pilares: materiales que absorben luz, estructuras que mantienen separadas las cargas y sitios catalíticos que aceleran las reacciones y las hacen selectivas. Las investigaciones de CONNECT desarrollan estos pilares mediante una combinación de materiales bidimensionales, uniones inteligentes y sitios superficiales basados en elementos abundantes en la Tierra.

Materiales bidimensionales y heteroestructuras

Los materiales bidimensionales, desde láminas de carbono similares al grafeno hasta dicalcogenuros de metales de transición, ofrecen vías ultrafinas para el desplazamiento de las cargas. Apilar una lámina 2D sobre otra crea una amplia interfaz donde los electrones y los huecos se separan de manera eficiente. Al elegir pares con niveles de energía de banda adecuados para la separación del agua o la reducción del CO2, estas heteroestructuras 2D sobre 2D aumentan la eficiencia sin depender de elementos escasos.

Flujo de cargas mediante los esquemas Z y S

La fotosíntesis natural utiliza dos etapas de absorción de luz, que suelen representarse con una forma de Z, para generar cargas de alta energía. Los dispositivos artificiales siguen esa lógica con diseños de esquema Z y esquema S. Se conectan dos absorbentes de luz de modo que solo sobrevivan los electrones con mayor capacidad reductora y los huecos con mayor capacidad oxidante, mientras que las cargas menos activas se neutralizan entre sí. Mantener las cargas más activas mejora las reacciones difíciles y ayuda a reducir las reacciones secundarias.

Carburos metálicos y materiales MXene

Los carburos de metales de transición, incluidos los MXenes, combinan una alta conductividad con superficies ajustables. Pueden servir como absorbentes de luz o como cocatalizadores, es decir, materiales auxiliares en la superficie que aceleran pasos clave y orientan la selectividad. Los MXenes se producen mediante el grabado químico de precursores en capas para crear láminas conductoras. Los grupos químicos de su superficie, determinados por el método de síntesis, influyen en su capacidad para adsorber moléculas y transportar cargas, aspectos fundamentales para producir combustibles solares de manera estable y eficiente.

Convertir residuos en recursos mediante luz y química inteligente

Los plásticos ofrecen comodidad, pero también plantean un desafío de gestión de residuos. El reciclaje mejorado mediante procesos fotoquímicos y electroquímicos aborda el problema con reacciones químicas específicas. Con luz o energía renovable, los catalizadores pueden romper largas cadenas de polímeros y transformarlas en moléculas útiles, como formiato, acetato, alcoholes o hidrógeno. CONNECT aplica este enfoque también a los residuos agrícolas. El sector malasio del aceite de palma genera residuos ricos en carbono que pueden transformarse en grafeno e hidrógeno verde. El grupo informa de una patente relacionada con la producción de grafeno e hidrógeno a partir de biometano, lo que demuestra cómo los flujos de residuos pueden convertirse en materia prima para producir materiales y energía.

Del laboratorio al terreno: producir hidrógeno a partir del agua

La idea de producir hidrógeno con luz solar parece sencilla, pero integrarla en un dispositivo que funcione al aire libre es difícil. Un dispositivo debe captar la luz con eficacia, separar el agua, mantener separados el hidrógeno y el oxígeno, y resistir meses de calor, lluvia y polvo. CONNECT está construyendo un prototipo de mayor tamaño para probarlo en condiciones exteriores, con el objetivo de contar a mediados de 2026 con una unidad operativa de producción solar de hidrógeno que combine fotocatálisis y fotoelectroquímica.

Dos cuestiones suelen ser determinantes al ampliar la escala. La eficiencia, medida como eficiencia de conversión de energía solar en hidrógeno, debe aumentar sin que los materiales dejen de ser asequibles. Muchos expertos consideran que el 10 por ciento es un umbral práctico, aunque los costos varían según el lugar. La durabilidad es la otra prueba. Los catalizadores pueden degradarse por efecto del oxígeno y la luz intensa. El agua de mar contiene cloruros, que pueden provocar corrosión y formación de cloro. Los equipos abordan estos problemas con capas protectoras, membranas selectivas y condiciones de reacción que favorecen únicamente la producción de hidrógeno y oxígeno.

Por qué esto es importante para Malasia y la región

Malasia aspira a alcanzar cero emisiones netas para 2050, una meta que requiere nuevos combustibles limpios y un uso más inteligente del carbono. La fotosíntesis artificial se relaciona con varias prioridades nacionales. El hidrógeno puede respaldar las energías renovables y reducir las emisiones industriales. Convertir el CO2 procedente de la quema de gas o de procesos industriales en materias primas permite transformar un residuo en un recurso valioso. Aprovechar los residuos plásticos y de biomasa reduce la presión sobre los vertederos y la dependencia de insumos fósiles importados. Las unidades modulares de conversión solar en combustible podrían abastecer escuelas, centros de salud y pequeñas empresas en zonas remotas donde la ampliación de la red eléctrica avanza lentamente.

La colaboración, el talento y las herramientas digitales aceleran los avances

CONNECT avanza mediante alianzas con PETRONAS Research y programas nacionales de tecnología, y combina conocimientos de química, materiales, ingeniería y ciencia de datos. La teoría del funcional de la densidad y el aprendizaje automático ayudan a evaluar miles de posibles catalizadores antes de fabricar unos pocos en el laboratorio, con el consiguiente ahorro de tiempo y costos. El profesor Ong orienta a un grupo cada vez mayor de investigadores de posgrado y posdoctorado. Reconocimientos como el de Investigador Altamente Citado y su inclusión en la lista del 2 por ciento de los mejores científicos del mundo reflejan el impacto de su trabajo, aunque el objetivo sigue siendo práctico: desarrollar dispositivos que produzcan combustibles limpios de forma fiable en las condiciones de Malasia.

Los desafíos pendientes

Es probable que la fotosíntesis artificial complemente, en lugar de sustituir, la producción cada vez mayor de hidrógeno verde mediante electrolizadores. Para ampliar su aplicación todavía es necesario aumentar la eficiencia, mejorar la durabilidad, reducir los costos de los sistemas auxiliares y diseñar sistemas seguros de gestión de gases. Los productos de la conversión de CO2 suelen aparecer en mezclas que requieren separación. El reciclaje mejorado de plásticos necesita materias primas de calidad uniforme y catalizadores selectivos. El prototipo previsto para 2026 y el proyecto de PETRONAS aportarán los datos de campo que permitirán determinar dónde encaja mejor esta tecnología en la transición energética del país.

Puntos clave

• El profesor Ong Wee Jun dirige CONNECT en la Universidad Xiamen de Malasia, donde trabaja en fotosíntesis artificial y nanocatálisis.
• Su equipo investiga la producción de hidrógeno a partir del agua, la conversión del CO2 en metanol y otros productos, y el reciclaje mejorado de plásticos mediante procesos fotoquímicos o electroquímicos.
• Una subvención de PETRONAS por más de RM1 millón, concedida en agosto de 2024, respalda la conversión con energía solar del CO2 procedente de la quema de gas en terminales terrestres.
• Está previsto que a mediados de 2026 se pruebe al aire libre en Malasia el desempeño de un prototipo de sistema solar de producción de hidrógeno.
• Entre las herramientas de investigación figuran las heteroestructuras bidimensionales, el flujo de cargas mediante el esquema Z y los carburos metálicos, como los MXenes.
• Los proyectos de producción de hidrógeno a partir del agua de mar abordan la corrosión causada por los cloruros y la selectividad para evitar la formación de cloro.
• Las alianzas con la industria y el uso de la teoría del funcional de la densidad y el aprendizaje automático aceleran la identificación de catalizadores.
• El trabajo contribuye a la meta de Malasia de alcanzar cero emisiones netas para 2050 y podría facilitar el acceso a la energía en zonas rurales.