Tecnologia Científica

Transformando a luz do sol em alimentos e combustíveis - com um dispositivo de mesa
A fotossíntese artificial é a tentativa da humanidade de replicar esse processo para criar de forma sustentável combustíveis limpos e fertilizantes agrícolas - todos movidos a energia solar.
Por Jim Shelton - 14/03/2021


Protótipo de dispositivo de fotossíntese artificial de mesa.

É possível que a fotossíntese artificial esteja logo ali.

A fotossíntese é o processo natural pelo qual a luz solar divide as moléculas de água em oxigênio, prótons e elétrons e reduz o dióxido de carbono a carboidratos. A fotossíntese artificial é a tentativa da humanidade de replicar esse processo para criar de forma sustentável combustíveis limpos e fertilizantes agrícolas - todos movidos a energia solar.

Victor Batista, o professor de química John Randolph Huffman e membro do corpo docente do Instituto de Ciências da Energia em Yale West Campus, faz parte de um novo projeto multi-institucional que deu um salto dramático no aproveitamento da fotossíntese artificial.

O projeto - que recentemente recebeu uma doação de US $ 6,25 milhões do Departamento de Defesa dos Estados Unidos - já produziu um dispositivo de mesa capaz de operar por mais de 3.000 horas sem qualquer degradação. O dispositivo - sob luz solar visível em temperatura ambiente - é capaz de converter metano no benzeno químico intermediário e reduzir o nitrogênio em amônia, um importante bloco de construção do fertilizante.

Batista conversou sobre o projeto e seu potencial. A entrevista foi editada e condensada.

Em termos gerais, por que você e seus colegas estão interessados ​​na fotossíntese artificial?

A ideia, o principal desafio para nós, é usar a luz solar para fazer reações químicas. O mundo atualmente depende de recursos energéticos insustentáveis. Estamos tentando mudar a forma como alimentamos nossa economia - evitando o uso de petróleo e reações poluentes de carbono. Queremos usar luz solar, que seja limpa e amiga do ambiente.

Existem muitos laboratórios em todo o mundo investigando a fotossíntese artificial. O que torna sua abordagem diferente?

A principal diferença tem a ver com os materiais semicondutores que estamos explorando como a plataforma para a divisão da água e o início das reações químicas. Em parceria com a Universidade de Michigan, a Universidade da Califórnia em Santa Bárbara e a Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, Yale está procurando nanoestruturas de nitreto de gálio especialmente preparadas como a plataforma ideal para a fotossíntese artificial.

O nitreto de gálio pode ser um semicondutor de alta qualidade que nos dá controle sobre a seletividade das reações e a pureza dos produtos gerados por reações fotoquímicas. É uma abordagem que já produziu resultados preliminares fantásticos, em termos de conversão de nitrogênio em amônia - um ingrediente chave em fertilizantes - e a conversão de metano em benzeno.

Quais são os usos comuns do benzeno?

O benzeno é uma matéria-prima química importante para uma ampla gama de aplicações, incluindo polímeros, plásticos, resinas, adesivos, lubrificantes, corantes e medicamentos. No ano passado teve uma produção mundial de 50 milhões de toneladas.

Atualmente é feito por uma reação de hidrocarbonetos e hidrogênio em alta temperatura e pressão [500 a 525 graus Celsius e pressões que variam de 8 a 50 atm]. Com nosso dispositivo, estamos produzindo benzeno com luz solar em temperatura ambiente e pressão normal. A ressalva é que ainda não entendemos o mecanismo e, portanto, como escaloná-lo para a produção em larga escala.

Em termos práticos, como funciona o seu dispositivo?

Você deve ver o protótipo que desenvolvemos. É incrivelmente simples.

O dispositivo fotocatalítico absorve luz solar para separar cargas na superfície de fotoeletrodos de nitreto de gálio de alta qualidade. As cargas são passadas para um catalisador de metal na superfície onde ocorre a reação. Ao expor superfícies específicas de nitreto de gálio, com impurezas específicas, podemos alcançar seletividade dos produtos gerados.

Qual é o papel de Yale no projeto?

Este é um resultado de engenharia que requer mais pesquisas para entender por que funciona e como torná-lo ainda melhor com maior eficiência. A contribuição de Yale é o desenvolvimento de técnicas de modelagem computacional que nos darão modelos numéricos desse catalisador e dos processos de reação resultantes - até o nível molecular.

Algo que me deixa muito feliz é que conseguimos convencer Bob Crabtree [Conkey P. Whitehead, professor de química de Yale] a ser um consultor sênior neste projeto. Bob é um especialista em catálise, que é um aspecto central do projeto.

O subsídio do Departamento de Defesa é de cinco anos. Será tempo suficiente para encontrar as respostas que você está procurando?

Já temos um protótipo de dispositivo que você pode segurar nas mãos. Também temos todas as técnicas de que precisamos para avançar totalmente em nosso entendimento. Estou muito animado com o que estamos tentando fazer.

Dada a ameaça existencial da mudança climática, você e seus colegas sentem uma sensação de urgência?

Eu diria simplesmente que esta é uma prioridade muito alta. Queremos liderar o esforço mundial na busca de maneiras viáveis ​​de produzir combustíveis e commodities com métodos sustentáveis. Queremos aprimorar nosso conhecimento e usá-lo para o bem da humanidade.

 

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