Tecnologia Científica

Iluminando o caminho para a nova ciência dos combustíveis solares
Os químicos de Yale estão avançando com trabalhos inovadores para desenvolver os combustíveis líquidos a partir da luz solar do futuro.
Por Jim Shelton - 08/09/2020


(© stock.adobe.com)

Os químicos de Yale estão avançando com trabalhos inovadores para desenvolver os combustíveis líquidos a partir da luz solar do futuro.

Um quinteto de pesquisadores de Yale - Sharon Hammes-Schiffer, Nilay Hazari, Patrick Holland, James Mayer e Hailiang Wang - estão entre os principais investigadores (PI) do Centro de US $ 40 milhões para Abordagens Híbridas de Energia Solar para Combustíveis Líquidos do Departamento de Energia dos EUA (CORRER ATRÁS).

O CHASE, que envolve seis instituições científicas, terá sua sede na University of North Carolina-Chapel Hill. A parte do financiamento de Yale é de US $ 6,27 milhões ao longo de cinco anos, e apoiará dezenas de alunos de graduação e colegas de pós-doutorado em Science Hill e no Energy Sciences Institute em West Campus.

Hazari e Holland conversaram sobre o novo projeto.

O que são combustíveis solares e como eles podem beneficiar a sociedade?

Hazari: Um combustível solar é um produto químico sintético produzido a partir da luz solar que pode ser usado para armazenar e liberar energia de maneira semelhante aos combustíveis fósseis. Gerar combustíveis a partir da luz solar é valioso porque o sol é nossa maior fonte de energia e não se esgotará por eras. Nas últimas duas décadas, a sociedade fez um enorme progresso na conversão da luz solar em eletricidade, mas a eletricidade não pode ser armazenada em escala grande o suficiente para muitas aplicações importantes. Portanto, há uma necessidade de combustíveis solares renováveis, especialmente líquidos que podem ser utilizados com nossa infraestrutura atual, para substituir os combustíveis fósseis.

Quão perto estamos de ver essa tecnologia?

Hazari: Os processos atuais de produção de combustíveis solares são muito ineficientes em termos de energia e, como resultado, sua operação é cara e desperdiçadora. Nosso conhecimento atual não é suficiente para produzir sistemas que provavelmente serão implementados em uma escala grande o suficiente para atender às necessidades de combustíveis renováveis ​​na próxima década. Precisamos realizar pesquisas básicas para desenvolver a tecnologia necessária para os combustíveis solares práticos.

Holland: A dificuldade é que uma série de obstáculos científicos básicos precisam ser superados para armazenar com eficiência a energia solar em um combustível. Precisamos de materiais que façam essa conversão sem desperdiçar muita energia, que sejam robustos e durem muito tempo, e que possam ser melhorados racionalmente.

Qual é a abordagem de Yale para a criação de combustíveis solares?

Hazari: A equipe do CHASE visa combinar materiais que capturam a luz com sistemas que podem usar a energia da luz para fazer combustíveis sintéticos a partir de compostos abundantes, como dióxido de carbono e nitrogênio. A maioria dos pesquisadores que trabalham em Yale se concentrará no desenvolvimento de sistemas para converter dióxido de carbono e nitrogênio em combustíveis líquidos. O grupo Yale tem experiência no desenvolvimento de novos sistemas e na compreensão de como os sistemas funcionam.

Holanda: CHASE reúne especialistas em semicondutores, que captam a luz; materiais, que transferem a energia e fornecem um arcabouço para uma arquitetura molecular; e catalisadores, que usam a energia para criar as moléculas de combustível. Vamos nos concentrar em usar CO2, N2 e água como materiais de partida porque são abundantes e baratos. Os produtos serão combustíveis líquidos como etanol e moléculas relacionadas e amônia. A equipe de Yale tem experiência especial na transferência de prótons e elétrons (Mayer e Hammes-Schiffer são especialistas nos mecanismos desses processos), na conversão de CO2 em compostos úteis (Hazari e Wang são especialistas em soluções e abordagens de materiais, respectivamente), e na conversão de N2 em compostos úteis (Holanda).

Existem vários grupos em Yale trabalhando na geração de combustíveis solares, usando uma variedade de abordagens diferentes. Em particular, Yale investiu muito no Instituto de Ciências da Energia. Na última década, Yale também fez contratações que aumentaram nosso impacto nesta área - todos os cinco PIs nesta bolsa foram contratados desde 2009 - e renovou espaços em Science Hill e West Campus para possibilitar essa química.

Como a bolsa CHASE ajudará neste trabalho?

Holanda: O subsídio apoiará 10 alunos de graduação e pós-doutorado por ano durante cinco anos, e esses alunos se beneficiarão imensamente da ciência estimulante, das interações e da comunidade DOE de pesquisadores de energia. Todos esses projetos serão colaborativos, nos conectando com grupos de pesquisa da Universidade da Carolina do Norte, NC State, Penn, Emory e Brookhaven National Laboratory. O BNL tem muitos vínculos estreitos com Yale, que serão aproveitados em nosso trabalho.

Quais são algumas das próximas descobertas científicas básicas que podemos esperar ver deste grupo?

Holanda: Alguns projetos específicos examinarão como ajustar os ambientes locais em torno dos catalisadores; como ligar cascatas de reações catalíticas; como usar as propriedades especiais das interfaces para melhorar a catálise; e como controlar a seletividade para combustíveis líquidos desejados versus subprodutos. Uma das coisas interessantes sobre isso é que os princípios que descobrimos serão aplicáveis ​​não apenas aos combustíveis solares, mas aos catalisadores para muitas reações diferentes, estendendo o impacto.

Em um nível pessoal, como é trabalhar em um problema científico com implicações tão grandes para a sustentabilidade global?

Holland: A promessa de usar nosso conhecimento de química para resolver problemas de energia é inspiradora para mim e para meus alunos. As lutas da pesquisa de ponta inevitavelmente levam a muitos caminhos errados e armadilhas ao longo do caminho e, para nossos alunos dedicados, a promessa de um futuro melhor torna mais fácil continuar lutando contra esses desafios.

Hazari: Há uma grande quantidade de pesquisas sendo realizadas em Yale e em outras instituições em todo o mundo sobre combustíveis solares e outros produtos químicos relacionados à sustentabilidade. É bom fazer parte de uma comunidade com a mesma opinião, que se esforça para resolver problemas tão importantes. Espero que todo esse trabalho um dia faça uma grande diferença na nossa qualidade de vida.

 

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