Tecnologia Científica

Convertendo luz solar em combustíveis
No Joint Center for Artificial Photosynthesis, os pesquisadores passaram a última década em busca de inovações químicas para converter a luz solar em combustíveis capazes de atender às crescentes necessidades de energia da humanidade.
Por Andrew Moseman - 31/08/2020


Na foto: Aniketa Shinde, engenheira de instrumentação de materiais no JCAP de 2013–19

A natureza teve bilhões de anos para aperfeiçoar a maravilha da fotossíntese, na qual a energia da luz do sol impulsiona uma reação entre o dióxido de carbono e a água dentro das plantas (e certas bactérias) para criar alimentos. De todas as plantas leves que recebem, no entanto, apenas 1 por cento é usado para este processo. Embora isso possa parecer terrivelmente ineficiente, é tudo menos: aquele raio de sol fornece às plantas 100% da energia de que necessitam.  

A humanidade, por outro lado, tem necessidades de energia muito mais intensas. Para atender a essas necessidades, o mundo continua a depender de fontes sujas ou perigosas, incluindo carvão, petróleo e energia nuclear para abastecer a rede elétrica, carros e aviões e empresas industriais. E ainda assim, a cada hora do dia, luz solar suficiente brilha na Terra para alimentar toda a civilização humana por um ano inteiro. O desafio é o mesmo que as plantas enfrentam por meio da fotossíntese: transformar a luz do sol em formas viáveis ​​de energia. Para atender às necessidades da sociedade de forma sustentável, no entanto, devemos converter uma porcentagem muito maior dessa luz solar em combustível do que as plantas, em uma escala muito maior, ao mesmo tempo em que criamos um combustível que seja mais facilmente utilizável em nossa sociedade.

É por isso que, uma década atrás, o Departamento de Energia financiou um novo Centro de Inovação Energética chamado Centro Conjunto para Fotossíntese Artificial (JCAP), liderado pela Caltech e com locais primários no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) e no campus. No JCAP, a Caltech tem parceria com pesquisadores do LBNL, do SLAC National Accelerator Laboratory, UC Irvine e UC San Diego. O JCAP reuniu uma equipe diversificada de químicos, físicos, cientistas de materiais, engenheiros e outros pesquisadores na busca por novas maneiras ousadas de melhorar os processos da natureza na criação de "combustíveis solares" (produtos como hidrogênio combustível e hidrocarbonetos) usando nada mais do que luz solar e moléculas básicas, como água e dióxido de carbono.

Durante sua corrida de 10 anos, os cientistas do JCAP estabeleceram novos recordes para fotossíntese artificial, aumentando o desempenho da eficiência energética solar para química de menos de 1 por cento para 19 por cento e projetando geradores de combustíveis solares altamente estáveis. Esses esforços estabeleceram critérios de desempenho para materiais individuais e sistemas integrados que orientam a descoberta de materiais. Junto com a maior biblioteca de materiais do mundo, construída pela JCAP, esses esforços estabeleceram a base científica para uma nova economia de energia. 

“Acho que temos uma oportunidade real de traçar um projeto e um caminho científico para a criação não apenas de combustíveis solares, mas também, essencialmente, de todos os processos que usamos para a produção industrial”, disse Harry Atwater , Professor Howard Hughes de Física Aplicada e Materiais Ciência e diretor do JCAP.

Por que combustíveis solares?

“No California Institute of Technology, eles estão desenvolvendo uma maneira de transformar a luz solar e a água em combustível para nossos carros.” Naquela linha de seu discurso sobre o Estado da União de 2011, o presidente Barack Obama iluminou a missão do JCAP: descobrir formas renováveis ​​movidas a energia solar de criar os tipos de combustíveis líquidos, incluindo hidrocarbonetos, que podem ser úteis para alimentar carros, casas e fábricas.

“Quando queimamos combustíveis em um carro, um motor a jato ou um barco, começamos com hidrocarbonetos e cuspimos dióxido de carbono e água. Agora queremos pegar o dióxido de carbono e a água e reciclá-los no combustível ”, diz Tom Jaramillo , membro da equipe do JCAP e professor associado da Universidade de Stanford e SLAC. 

Os combustíveis solares prometem fazer o que outras alternativas de energia renovável não podem. Os combustíveis líquidos podem ser facilmente armazenados e usados ​​a qualquer momento. Os painéis solares fotovoltaicos, por outro lado, podem absorver os raios apenas quando o sol brilha e exigem grandes melhorias na tecnologia das baterias para armazenar eletricidade para uso posterior. Um número cada vez maior de carros elétricos juntou-se às rodovias americanas, mas suas baterias têm um alcance limitado para suportar seus longos tempos de recarga. A verdade é, diz Atwater, as baterias geralmente não podem se igualar aos combustíveis líquidos em sua capacidade de armazenar muita energia em um pequeno volume. 

“Tenho um Tesla estacionado na minha garagem, então votei com minha carteira que um veículo a bateria é uma boa solução”, diz Atwater. “Mas se você olhar para toda a frota global de veículos de 80 milhões de veículos, fica claro que nem todos serão elétricos. E então temos que ter alguma solução de carbono zero para todos eles. ”

Quando o JCAP foi lançado em 2010, diz Atwater, seus cientistas sabiam que para produzir combustíveis líquidos usando apenas a luz solar, eles precisariam de novos catalisadores (substâncias que aceleram as reações químicas), novos materiais para transportar cargas elétricas durante as reações químicas necessárias e novas estratégias para agilizar as reações eletroquímicas. “O que não sabíamos era quais desses catalisadores, materiais e estratégias eram os bons”, observa ele. 

Para descobrir, o JCAP construiu uma equipe multidisciplinar de cientistas e engenheiros para investigar cada peça do processo. Durante sua execução inicial de cinco anos, de 2010 a 2015, que começou sob a liderança de Nathan Lewis(BS '77), George L. Argyros Professor da Caltech e professor de química, JCAP refinou o processo de divisão da água; quebrar H2O em oxigênio molecular e hidrogênio é uma etapa crítica na química necessária para produzir combustíveis solares. Durante esse tempo, os pesquisadores do Caltech alcançaram uma eficiência de 10,5% na conversão de energia solar em hidrogênio por meio da divisão da água e, em 2018, superaram esse recorde com uma eficiência de 19,3%. Nos cinco anos subsequentes, os pesquisadores do JCAP se concentraram na redução do dióxido de carbono para criar as ligações carbono-carbono necessárias para construir combustíveis líquidos ricos em energia, como os hidrocarbonetos. 

“Essa é uma das razões pelas quais o Caltech é tão bom”, diz Kimberly See , professora assistente de química. A pesquisa de See sobre eletrólitos (substâncias que criam uma solução eletricamente condutora quando dissolvida em um solvente como a água) tem se concentrado na construção de baterias melhores e agora ela está trazendo algumas das mesmas estratégias para pesquisar combustíveis solares. “É daí que vem a inovação: quando as pessoas vêm de uma área e começam a trabalhar com especialistas em uma área diferente. Acho que sempre acontecem coisas boas. ”

Uma peça de cada vez

Enquanto descreve a coleção recorde de novos materiais que ele e seus colegas criaram, John Gregoire da Caltech , coordenador de uma das quatro investidas de pesquisa da JCAP, aponta o dedo diretamente para a segunda história do Laboratório Earle M. Jorgensen, a casa da JCAP no campus Caltech desde 2012, onde construiu essa biblioteca de materiais.

A fotossíntese artificial requer várias etapas essenciais. Um dispositivo deve ser capaz de capturar a luz do sol e transformar os raios do sol em voltagem elétrica utilizável. Essa voltagem forneceria a energia necessária para conduzir uma variedade de reações químicas que ocultam as moléculas existentes e usam seus ingredientes para sintetizar combustíveis.

Por exemplo, os cientistas do JCAP querem ser capazes de reduzir as moléculas de CO2 e, em seguida, combinar os átomos de carbono individuais resultantes em longas cadeias para formar moléculas densas em energia. Mas eles devem fazer todo o processo de forma eficiente (de modo que não coloquem mais energia na produção de combustíveis do que acabarão por obter ao queimá-los) e seletivamente (para que as reações não produzam uma série de subprodutos indesejados), e isso não é atualmente possível em escala industrial.

Gregoire coordena os esforços do JCAP em fotoeletrocatálise: o uso de materiais que são ativados pela luz solar para criar a voltagem elétrica para conduzir as reações químicas necessárias. Numerosos materiais já conhecidos pela ciência, como materiais usados ​​em painéis solares, podem realizar algumas das tarefas de que ele necessita. Mas esses materiais não podem sobreviver e prosperar no ambiente hostil de um dispositivo de fotossíntese artificial que divide a água ou reduz o dióxido de carbono

É por isso que Gregoire e seus colegas ainda estão em busca de materiais que possam fazer tudo. A perseguição ocorre no laboratório de experimentação de alto rendimento da Jorgensen sob medida, logo acima do escritório de Gregoire, onde sua equipe sintetiza diferentes materiais possíveis a partir dos elementos da tabela periódica para ver se o material tem as propriedades necessárias. “Podemos sintetizar e filtrar esses materiais cem vezes mais rápido do que qualquer pessoa jamais foi capaz de fazer antes”, diz Gregoire. “Mas isso ainda não é rápido o suficiente para fazer tudo.”

Dadas todas as maneiras possíveis de combinar os elementos, existem bilhões, senão trilhões de candidatos possíveis. Em vez de confiar na força bruta ou tentativa e erro, Gregoire trabalha com os teóricos do JCAP para identificar os tipos de materiais que, com base em sua composição e estrutura, deveriam ter o tipo de propriedades de absorção e condução de luz que ele busca. Mas as máquinas sozinhas não podem fazer esse trabalho: os computadores perderão ou descartarão algumas das possibilidades promissoras. Os humanos do JCAP, com seus anos de experiência e intuição em relação à aparência de um material auspicioso, também são essenciais. Os computadores são ótimos para reduzir o tamanho do palheiro, mas às vezes você ainda precisa de um olho humano para encontrar a agulha.  

“Você está procurando um outlier”, diz Gregoire. “Um outlier é a resposta.”

Esta colaboração de pesquisa homem / máquina deu origem à maior biblioteca conhecida de materiais, todos eles óxidos de metal, úteis para combustíveis solares. Dos 70 óxidos de metal conhecidos com qualquer atividade fotoelétrica mensurável (a capacidade de transformar a luz do sol em corrente), Gregoire diz, 50 foram descobertos na última década e metade deles pelo JCAP.

Na hora de entender os materiais desenvolvidos no JCAP, Marco Bernardi , professor assistente de física aplicada e ciência dos materiais da Caltech, segue o teórico. Começando apenas com a estrutura atômica de um material e as equações da mecânica quântica, Bernardi calcula quão bem os elétrons se movem através de um candidato a semicondutor ou óxido. Bernardi descreve esse esforço teórico como complementar ao lado experimental; fornece uma estrutura para compreender microscopicamente, até o nível atômico, os materiais criados no laboratório e seu desempenho. “Acho que estamos preenchendo a lacuna entre a teoria e os experimentos para esses materiais altamente complexos”, diz Bernardi.

Enquanto isso, Jaramillo, do SLAC, também está construindo uma biblioteca, mas a sua está cheia de catalisadores: compostos que podem acelerar as reações químicas por trás da fotossíntese artificial e que estiveram no centro de quase todos os avanços nas indústrias química e de combustível desde seu começo. Por causa da longa experiência da humanidade com combustíveis fósseis, as indústrias de petróleo e gás tiveram décadas para aperfeiçoar o catalisador que ajuda a transformar o petróleo bruto em gasolina refinada queimada em motores de automóveis. Os pesquisadores que investigam alternativas renováveis, incluindo combustíveis solares, estão em uma corrida para alcançá-los.

Especificamente, Jaramillo se concentra em encontrar os catalisadores ideais para acelerar e refinar as reações necessárias para quebrar a água e reduzir o dióxido de carbono. Seu objetivo é criar o arranjo certo de átomos, estrutura geométrica e estrutura eletrônica de modo que, se, por exemplo, uma molécula de CO2 encontrar esse catalisador, Jaramillo diz, "o catalisador está pronto para rasgar aquela coisa em seus átomos constituintes e em seguida, reformule-os na molécula que queremos às custas daquela que não queremos. ”

Ferramentas do Comércio

Scott Cushing , professor assistente de química na Caltech, é um redutor que se descreve. “Eu cresci em West Virginia trabalhando com carros”, diz ele. “Gosto de trabalhar com sistemas mecânicos. Quando fui para a faculdade, alguém me mostrou um laser e me apaixonei. Tenho trabalhado na ciência da instrumentação baseada em laser desde então. ”

Como evidência, Cushing passou seus anos de pós-doutorado trabalhando em uma versão de mesa de um síncrotron antes de entrar para o corpo docente da Caltech em 2018. Normalmente visto na forma de um anel gigante de aceleração de partículas, um síncrotron é uma ferramenta que tira proveito dos elétrons em movimento rápido tendência de emitir raios X quando mudam de direção. A versão reduzida de Cushing dispara um poderoso laser para forçar os elétrons a mudar de direção e emitir raios-X. Os raios X, então, mostram aos pesquisadores como os elétrons transportam voltagem através das camadas ultrafinas de um dispositivo. Isso é crucial para a pesquisa de combustíveis solares, diz Cushing. “Nosso grande objetivo é tentar medir essas reações desde o momento em que um material absorve a luz solar pela primeira vez até que o produto, um combustível solar, seja feito.” Uma vez que a fotossíntese artificial começa em uma escala de tempo de femtossegundos, ou um quatrilionésimo de segundo,

A necessidade de instrumentos de alta precisão, incluindo os sistemas de caracterização de alto rendimento de Gregoire e caracterização optoeletrônica ultrarrápida no LBNL, é uma das muitas razões pelas quais o JCAP é uma colaboração de pesquisadores de instituições científicas em todo o estado, diz Frances Houle (PhD '79) do LBNL, que atua como vice-diretor do JCAP para integração de ciência e pesquisa. Além dos instrumentos de laboratório, diz ela, o sucesso desta pesquisa depende dos grandes anéis síncrotron do LBNL e do SLAC.  

O foco de Houle em reunir as muitas partes do JCAP exige que ela também se concentre em outro desafio: levar os frutos da colaboração para o "mundo real". Afinal, quando os combustíveis solares algum dia puderem ser fabricados em escala industrial, eles não serão feitos usando simples configurações de teste em um laboratório de pesquisa. Os cientistas do JCAP estão aprendendo a trabalhar em escalas maiores, testando como seus materiais reagem em condições operacionais reais, que incluirão mudanças no fluxo de luz, temperatura e umidade. Os materiais de Gregoire “acabarão por ser capazes de permanecer no deserto e trabalhar por uma a três décadas”, diz ele.

“Você simplesmente não pode fazer avanços tecnológicos sem ter uma plataforma científica muito profunda para trabalhar”, diz Houle.

Carbono para Carbono

Rasgar água ou dióxido de carbono em suas partes constituintes é apenas metade da batalha. Os cientistas então precisam combinar essas peças para fazer um combustível, o que traz um novo conjunto de desafios químicos. 

Considere, diz Atwater, o problema de cozinhar uma versão solar do Jet A, a principal variedade de combustível de aviação que os aviões comerciais queimam. O combustível de aviação é rico em hidrocarbonetos ou compostos nos quais o hidrogênio está ligado a longas cadeias de carbono; essas ligações liberam muita energia quando queimadas, o que significa que esses compostos podem armazenar uma grande quantidade de energia em um pequeno volume. É por isso que o principal foco do JCAP é a síntese dos blocos de construção do combustível de aviação. Usando dióxido de carbono, luz solar e seus próprios avanços na química, eles poderiam criar uma maneira sustentável de fabricar os tipos de combustível que os aviões precisam queimar.

“Os fabricantes de aviões estão interessados ​​nisso porque sabem que não há como eletrificar suas frotas em um prazo razoável que vai dobrar a curva para as mudanças climáticas”, disse Atwater. “Então, se eles vão causar um impacto no clima, será por meio de combustíveis solares.”

As esperanças da indústria dependem em parte do trabalho que está sendo feito no segundo andar de Jorgensen, onde uma equipe de pesquisadores liderada pelos professores de química Jonas Peters e Theo Agapie (PhD '07) experimenta novas táticas para lidar com o problema da criação de carbono múltiplo títulos. Normalmente, Agapie diz, quebrar o dióxido de carbono deixa para trás compostos de carbono único, como monóxido de carbono e ácido fórmico. Construir compostos de multicarbono, como os encontrados na gasolina e outros produtos químicos de interesse, requer etapas adicionais, e essas etapas requerem o tipo certo de eletrodo, um condutor que carrega carga elétrica em materiais não metálicos como o dióxido de carbono.

Os cientistas descobriram que a carga transportada pelos eletrodos de cobre, quando aplicada a uma solução de dióxido de carbono, pode criar as ligações carbono-carbono desejadas. O problema é que isso não pode ser feito “seletivamente”, que é a maneira de um químico dizer que, junto com as ligações carbono-carbono, a reação cria uma série de moléculas estranhas também. Para resolver esse problema, nos últimos anos, a equipe de Agapie e Peters foi pioneira em uma maneira de fazer crescer um filme orgânico sobre um eletrodo de cobre por meio de eletrólise (a aplicação de corrente elétrica direta para conduzir reações químicas); aquele eletrodo pode então conduzir a conversão de CO2 em produtos com dois ou três átomos de carbono ligados com muito poucos subprodutos indesejáveis.

O que o futuro reserva

Além de liderar o JCAP, Atwater lidera uma das quatro principais iniciativas do Resnick Sustainability Institute (RSI) da Caltech , um esforço chamado Sunlight to Everything. É uma frase apropriada, diz ele. Os processos químicos básicos e novos materiais descobertos durante esta década de esforços JCAP estabeleceram as bases para a próxima fase da pesquisa de combustíveis solares, que incluirá materiais mais acessíveis e esforços para testar protótipos em condições do mundo real, dando à indústria novos pontos de partida para soluções de sustentabilidade de amanhã. Pesquisas futuras também se concentrarão em apreender CO2 de fontes como gás de combustão de usinas ou capturá-lo da atmosfera ou da água do mar e usá-lo para reações de combustíveis solares.

Para que os combustíveis solares sejam produzidos em níveis úteis para a sociedade e a indústria, os pesquisadores devem continuar a encontrar melhores materiais fotoativos, catalisadores mais eficientes e novas maneiras de construir combustíveis no nível molecular. Essa busca energiza Atwater. “Digo aos meus alunos: quando comecei como estudante de graduação, a energia solar fotovoltaica estava no mesmo estágio de desenvolvimento que os combustíveis solares estão hoje”, diz ele. “Durante minha vida profissional, vi a energia solar fotovoltaica crescer de algo que era feito como uma curiosidade em laboratórios de pesquisa para uma indústria global que está tendo um impacto na transformação de energia do mundo.”

Os combustíveis solares têm a mesma promessa. E como a equipe do JCAP bem sabe, esse tipo de mudança tecnológica começa com, e requer, pesquisa básica.

“Estamos focados na ciência fundamental e reconhecemos que essa ciência fundamental terá implicações de amplo alcance”, diz Jaramillo. “A tabela periódica é nosso playground.”

 

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