Tecnologia Científica

Aumentando a eficiência na fotossíntese artificial
Método para produzir hidrogênio é a 'divisão da água', onde as moléculas de água são quebradas em hidrogênio molecular e oxigênio. Na fotossíntese artificial , a luz é absorvida para gerar a energia necessária para quebrar as moléculas
Por Ecole Polytechnique Federale de Lausanne - 11/01/2022


Resumo gráfico. Crédito: DOI: 10.1021/jacsau.1c00408

Engenheiros químicos da EPFL desenvolveram uma nova abordagem para a fotossíntese artificial, um método de captação de energia solar que produz hidrogênio como combustível limpo a partir da água.

"A fotossíntese artificial é o santo graal de todos os químicos", diz Astrid Olaya, engenheira química do Instituto de Ciências Químicas e Engenharia da EPFL (ISIC). "O objetivo é capturar a luz do sol, por um lado para oxidar a água para gerar oxigênio e prótons e, por outro, reduzir prótons a hidrogênio ou CO 2 a produtos químicos e combustíveis. Essa é a essência de uma indústria química circular ."

Com o aumento da demanda global de energia, precisamos de alternativas viáveis ​​aos combustíveis fósseis, cujo impacto ambiental negativo também se tornou evidente. Uma dessas alternativas é o hidrogênio, que pode ser consumido em células de combustível simples para energia, deixando apenas água.

Um método para produzir hidrogênio é a "divisão da água", onde as moléculas de água são quebradas em hidrogênio molecular e oxigênio. Na fotossíntese artificial , a luz é absorvida para gerar a energia necessária para quebrar as moléculas de água .

O projeto clássico de um dispositivo de fotossíntese artificial é relativamente simples: um corante absorvente de luz chamado antena, acoplado a um semicondutor que separa as cargas elétricas (ânodo e cátodo) e um eletrocatalisador que conduz a reação de redução-oxidação da água.

No entanto, o processo continua muito lento. A oxidação da água com luz visível (por exemplo, luz solar) ainda é um gargalo para a fotossíntese artificial, dificultando o desenvolvimento em larga escala, apesar de mais de meio século de pesquisa. "O problema é que é difícil encontrar materiais de eletrodos com alta estabilidade química, propriedades optoeletrônicas adequadas e alta eficiência catalítica", diz Olaya.

Antenas aumentam a eficiência

Trabalhando no laboratório de Hubert Girault na EPFL, Olaya liderou um estudo que fornece uma nova abordagem à fotossíntese artificial. O trabalho foi publicado no Journal of the American Chemical Society Gold ( JACS Au ).

"Neste estudo, foto-oxidamos a água com uma molécula orgânica simples, ou seja, tetratiafulvaleno (TTF)", diz Olaya. "Foi demonstrado que uma versão salgada do TTF pode se automontar em microbastões que atuam como antenas para capturar a luz visível e como bombas de elétrons para oxidar a água em oxigênio". Normalmente, esta é uma reação lenta de várias etapas, mas a pilha de moléculas de sal TTF pode capturar os quatro elétrons necessários para oxidar uma molécula de água.

Um toque oleoso

Os pesquisadores também usaram água em uma emulsão de óleo. "A antena TTF pode residir na fase oleosa próxima à fase aquosa, de onde são extraídos os prótons produzidos a partir da oxidação da água ", diz Olaya. "Assim como na fotossíntese natural, o sistema bifásico permite uma separação eficiente dos reagentes e produtos."

O TTF é composto apenas de átomos de carbono, enxofre e hidrogênio , todos amplamente disponíveis. Isso significa que o novo método também é econômico e sustentável, pois não requer íons de metais preciosos, como platina ou irídio. "Este trabalho é uma nova maneira de abordar a fotossíntese artificial com apenas algumas moléculas orgânicas simples", diz Olaya.

 

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