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Convertendo energia solar em combustível de hidrogênio, com ajuda da fotossíntese
Os cientistas alcançaram eficiência recorde para a conversão de energia solar em combustível e agora querem incorporar a maquinaria da fotossíntese para levá-la adiante.
Por American Chemical Society - 17/08/2020


Domínio público

O crescimento econômico global vem com o aumento da demanda por energia, mas aumentar a produção de energia pode ser um desafio. Recentemente, os cientistas alcançaram eficiência recorde para a conversão de energia solar em combustível e agora querem incorporar a maquinaria da fotossíntese para levá-la adiante. Os pesquisadores apresentarão seus resultados hoje no Encontro Virtual Outono 2020 da American Chemical Society (ACS) e Expo.

“Queremos fabricar um sistema fotocatalítico que use a luz solar para impulsionar reações químicas de importância ambiental”, diz Lilac Amirav, Ph.D., pesquisador principal do projeto.

Especificamente, seu grupo no Instituto de Tecnologia de Israel está projetando um fotocatalisador que pode decompor a água em combustível de hidrogênio . "Quando colocamos nossas nanopartículas em forma de bastão na água e iluminamos elas, elas geram cargas elétricas positivas e negativas", diz Amirav. "As moléculas de água se rompem; as cargas negativas produzem hidrogênio (redução) e as positivas produzem oxigênio (oxidação). As duas reações, envolvendo as cargas positiva e negativa, devem ocorrer simultaneamente. Sem tirar proveito das cargas positivas, o cargas negativas não podem ser direcionadas para produzir o hidrogênio desejado. "

Se as cargas positivas e negativas, que são atraídas uma pela outra, conseguem se recombinar, elas se cancelam e a energia é perdida. Portanto, para garantir que as cargas estejam suficientemente distantes, a equipe construiu heteroestruturas exclusivas compostas por uma combinação de diferentes semicondutores, juntamente com catalisadores de metal e óxido de metal. Usando um sistema modelo, eles estudaram as reações de redução e oxidação separadamente e alteraram a heteroestrutura para otimizar a produção de combustível.

“Com essa pesquisa, transformamos o processo de fotocatálise em fotossíntese, ou seja, a conversão genuína da energia solar em combustível”, diz Amirav. O sistema fotocatalítico realiza a conversão real da energia solar em ligações químicas armazenáveis, com um máximo de 4,2% de eficiência de conversão de energia solar em química. “Este número estabelece um novo recorde mundial no campo da fotocatálise e duplica o recorde anterior”, observa ela. "O Departamento de Energia dos Estados Unidos definiu 5-10% como ' limiar de viabilidade prática 'para a geração de hidrogênio por fotocatálise. Consequentemente, estamos à beira de uma conversão economicamente viável de energia solar em hidrogênio. "


Em 2016, a equipe projetou uma heteroestrutura com um ponto quântico esférico de seleneto de cádmio embutido em um pedaço de sulfeto de cádmio em forma de bastão. Uma partícula metálica de platina foi localizada na ponta. A partícula de seleneto de cádmio atraiu cargas positivas, enquanto cargas negativas se acumularam na ponta. "Ajustando o tamanho do ponto quântico e o comprimento da haste, bem como outros parâmetros, alcançamos 100% de conversão da luz solar em hidrogênio a partir da redução da água", diz Amirav. Uma única nanopartícula de fotocatalisador pode produzir 360.000 moléculas de hidrogênio por hora, observa ela.

O grupo publicou seus resultados na revista ACS Nano Letters . Mas, nesses experimentos, eles estudaram apenas metade da reação (a redução). Para funcionar corretamente, o sistema fotocatalítico deve suportar as reações de redução e oxidação. “Não estávamos convertendo energia solar em combustível ainda”, diz Amirav. "Ainda precisávamos de uma reação de oxidação que fornecesse elétrons continuamente ao ponto quântico." A reação de oxidação da água ocorre em um processo de várias etapas e, como resultado, permanece um desafio significativo. Além disso, seus subprodutos parecem comprometer a estabilidade do semicondutor.
 
Junto com colaboradores, o grupo explorou uma nova abordagem - procurando por diferentes compostos que pudessem ser oxidados no lugar da água - que os levou à benzilamina. Os pesquisadores descobriram que podiam produzir hidrogênio a partir da água e, ao mesmo tempo, transformar a benzilamina em benzaldeído. “Com essa pesquisa, transformamos o processo de fotocatálise em fotossíntese, ou seja, a conversão genuína da energia solar em combustível”, diz Amirav. O sistema fotocatalítico realiza a conversão real da energia solar em ligações químicas armazenáveis, com um máximo de 4,2% de eficiência de conversão de energia solar em química. “Este número estabelece um novo recorde mundial no campo da fotocatálise e duplica o recorde anterior”, observa ela. "O Departamento de Energia dos Estados Unidos definiu 5-10% como ' limiar de viabilidade prática 'para a geração de hidrogênio por fotocatálise. Consequentemente, estamos à beira de uma conversão economicamente viável de energia solar em hidrogênio. "

Esses resultados impressionantes motivaram os pesquisadores a ver se existem outros compostos com altas conversões solar em química. Para isso, a equipe está usando inteligência artificial. Por meio de uma colaboração, os pesquisadores estão desenvolvendo um algoritmo para pesquisar estruturas químicas em busca de um composto ideal para a produção de combustível. Além disso, eles estão investigando maneiras de melhorar seu fotossistema, e uma delas pode ser inspirar-se na natureza. Um complexo de proteínas em membranas celulares de plantas que compreende o circuito elétrico da fotossíntese foi combinado com sucesso com nanopartículas. Amirav diz que este sistema artificial até agora tem se mostrado frutífero, apoiando a água oxidação ao fornecer fotocorrente 100 vezes maior do que a produzida por outros sistemas semelhantes.

 

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