Novo sistema fotocatalítico converte carbono-dio

Universidade da Cidade de Hong Kong

imagem: Um sistema fotocatalítico hierárquico de automontagem (à esquerda) imita o aparato fotossintético natural de uma bactéria roxa, chamada Rhodobacter sphaeroides (à direita), alcançando 15% de eficiência solar em combustível ao converter dióxido de carbono em metano.Veja mais

Crédito: (esquerda) grupo de pesquisa do Professor Ye Ruquan / City University of Hong Kong e (direita) Biophysical Journal, 99:67-75, 2010

Uma equipe conjunta de pesquisa daUniversidade Municipal de Hong Kong (CityU) e colaboradores desenvolveram recentemente um sistema fotocatalítico artificial estável que é mais eficiente que a fotossíntese natural. O novo sistema imita um cloroplasto natural para converter o dióxido de carbono da água em metano, um combustível valioso, utilizando a luz de forma muito eficiente. Esta é uma descoberta promissora, que poderá contribuir para o objetivo da neutralidade carbónica.

A fotossíntese é o processo pelo qual os cloroplastos nas plantas e em alguns organismos usam a luz solar, a água e o dióxido de carbono para criar alimentos ou energia. Nas últimas décadas, muitos cientistas tentaram desenvolver processos de fotossíntese artificial para transformar o dióxido de carbono em combustível neutro em carbono.

“No entanto, é difícil converter dióxido de carbono em água porque muitos fotossensibilizadores ou catalisadores se degradam na água”, explicouProfessor Ye Ruquan , Professor Associado do Departamento de Química da CityU, um dos líderes do estudo conjunto. “Embora tenha sido demonstrado que os ciclos fotocatalíticos artificiais operam com maior eficiência intrínseca, a baixa seletividade e estabilidade na água para redução de dióxido de carbono têm dificultado suas aplicações práticas.”

No último estudo, a equipe de pesquisa conjunta da CityU, da Universidade de Hong Kong (HKU), da Universidade de Jiangsu e do Instituto de Química Orgânica de Xangai da Academia Chinesa de Ciências superou essas dificuldades usando uma abordagem de montagem supramolecular para criar um artificial sistema fotossintético. Ele imita a estrutura dos cromatóforos coletores de luz de uma bactéria roxa (isto é, células que contêm pigmento), que são muito eficientes na transferência de energia do sol.

O núcleo do novo sistema fotossintético artificial é uma nanomicela artificial altamente estável – um tipo de polímero que pode se automontar na água, com uma extremidade que ama a água (hidrofílica) e teme a água (hidrofóbica). A cabeça hidrofílica da nanomicela funciona como um fotossensibilizador para absorver a luz solar, e sua cauda hidrofóbica atua como um indutor para a automontagem. Quando é colocado na água, as nanomicelas se automontam devido à ligação de hidrogênio intermolecular entre as moléculas de água e as caudas. A adição de um catalisador de cobalto resulta na produção fotocatalítica de hidrogênio e na redução de dióxido de carbono, resultando na produção de hidrogênio e metano.

Usando técnicas avançadas de imagem e espectroscopia ultrarrápida, a equipe revelou as características atômicas do fotossensibilizador inovador. Eles descobriram que a estrutura especial da cabeça hidrofílica da nanomicela, juntamente com as ligações de hidrogênio entre as moléculas de água e a cauda da nanomicela, tornam-na um fotossensibilizador artificial estável e compatível com a água, resolvendo o problema convencional de instabilidade e incompatibilidade com água da fotossíntese artificial. A interação eletrostática entre o fotossensibilizador e o catalisador de cobalto, e o forte efeito de antena de captação de luz da nanomicela melhoraram o processo fotocatalítico.

No experimento, a equipe descobriu que a taxa de produção de metano era superior a 13.000 μmol h-1 g-1, com um rendimento quântico de 5,6% em 24 horas. Também alcançou uma taxa de eficiência solar-combustível altamente eficiente de 15%, superando a fotossíntese natural.

Mais importante ainda, o novo sistema fotocatalítico artificial é economicamente viável e sustentável, uma vez que não depende de metais preciosos caros. “A automontagem hierárquica do sistema oferece uma estratégia ascendente promissora para criar um sistema fotocatalítico artificial de alto desempenho, controlado com precisão, baseado em elementos baratos e abundantes na Terra, como complexos de zinco e porfirina de cobalto”, disse o professor Ye.