Cientistas descobrem uma nova maneira poderosa de transformar a luz solar em combustível

Pesquisadores liderados por uma equipe do Centro de Compreensão de Sistemas Avançados (CASUS) em Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) introduziram agora uma abordagem teórica confiável e reprodutível para resolver este problema. Suas previsões foram validadas por meio de medições em amostras de materiais reais. A equipe acredita que este avanço poderia acelerar significativamente a pesquisa sobre imidas de poliheptazina e desencadear um rápido crescimento no campo.

Materiais de nitreto de carbono e absorção de luz visível

As imidas de poliheptazina pertencem à classe mais ampla de nitretos de carbono. Esses materiais consistem em estruturas em camadas que se assemelham ao grafeno, mas são construídas a partir de unidades moleculares em forma de anel ricas em nitrogênio.

Embora o grafeno seja conhecido por sua condutividade elétrica excepcional, ele não funciona bem como fotocatalisador. As imidas de poliheptazina diferem de maneira crucial. Suas lacunas de bandas eletrônicas permitem que absorvam a luz visível, o que os torna adequados para reações químicas induzidas pela luz solar.

Os materiais de nitreto de carbono também oferecem diversas vantagens práticas. Eles são relativamente baratos de produzir, não são tóxicos e são termicamente estáveis. No entanto, as primeiras versões desses materiais não tiveram um bom desempenho como fotocatalisadores porque suas propriedades internas limitavam a separação efetiva de cargas.

Quando um fóton atinge um material, ele pode excitar um elétron e afastá-lo de sua posição original, deixando para trás um buraco carregado positivamente. Se o elétron se recombinar rapidamente com o buraco, a energia será liberada apenas na forma de calor ou luz, em vez de provocar reações químicas.

“As imidas de poliheptazina contendo íons metálicos carregados positivamente exibem uma separação de carga significativamente melhorada. Esse recurso os torna altamente adequados para aplicações práticas, “diz a primeira autora, Dra. Zahra Hajiahmadi.

Modelagem computacional acelera a busca por melhores catalisadores

São necessários materiais melhorados para desbloquear o potencial económico de vários processos fotocatalíticos. Estes incluem a divisão da água (para produzir hidrogénio como combustível), a redução do dióxido de carbono (para produzir hidratos de carbono básicos como combustíveis ou produtos químicos industriais) e a produção de peróxido de hidrogénio (como um produto químico industrial básico).

Projetar um catalisador de imida de poliheptazina que tenha um bom desempenho para uma reação específica requer um controle cuidadoso sobre muitos aspectos de sua estrutura. Criar e testar todos os possíveis materiais candidatos no laboratório seria irrealista. Os métodos computacionais desempenham, portanto, um papel essencial na redução das possibilidades.

“O espaço de design é enorme”, explica o Prof. Thomas D. Kühne, Diretor do CASUS, chefe da equipe de pesquisa do CASUS “Teoria de Sistemas Complexos” e autor sênior do estudo. “Pode-se, por exemplo, adicionar grupos funcionais na superfície ou substituir átomos específicos de nitrogênio ou carbono por átomos de oxigênio ou fósforo.”

O grupo de pesquisa de Kühne está desenvolvendo técnicas numéricas avançadas projetadas para serem eficientes e capazes de reproduzir com precisão o comportamento químico e físico de materiais complexos.

Testando sistematicamente 53 íons metálicos

Uma característica definidora das imidas de poliheptazina é a presença de poros carregados negativamente dentro do material. Esses poros podem hospedar íons metálicos carregados positivamente, o que pode melhorar significativamente o desempenho catalítico.

O trabalho de Hajiahmadi representa a primeira investigação abrangente de como diferentes íons metálicos influenciam as propriedades optoeletrônicas desses materiais. O estudo examinou 53 íons metálicos no total, categorizando-os de acordo com sua localização na estrutura (no plano ou entre camadas) e como alteram a geometria do material (resultando ou não em distorção).

“Usamos uma estrutura computacional confiável e reproduzível que vai além das abordagens convencionais de modelagem”, diz Hajiahmadi. “Os estudos computacionais padrão de fotocatalisadores normalmente se concentram nas propriedades do estado fundamental e negligenciam os efeitos do estado excitado, apesar do fato de que a fotocatálise é inerentemente conduzida por portadores de carga fotoexcitados. Especificamente, empregamos métodos da teoria de perturbação de muitos corpos.”

Esses métodos começam com um sistema modelo simplificado que não inclui interações de partículas. As interações são então adicionadas como pequenas correções, permitindo aos pesquisadores estimar como um grande número de partículas afeta umas às outras. Embora tais cálculos exijam um poder computacional substancial e raramente sejam aplicados neste campo, o novo estudo demonstra o seu valor. A estrutura fornece uma descrição precisa de como esses materiais absorvem luz e como sua estrutura eletrônica se comporta sob iluminação.

Experimentos confirmam previsões teóricas

Usando sua abordagem computacional, os pesquisadores exploraram como diferentes íons metálicos alteram a estrutura da rede poliheptazina imida. A análise revelou que a introdução de íons pode causar mudanças estruturais mensuráveis, incluindo mudanças no espaçamento entre camadas e modificações nos ambientes de ligação local. Essas variações estruturais influenciam diretamente a estrutura da banda eletrônica e as propriedades ópticas dos materiais, afetando a eficiência com que capturam a luz.

Para testar suas previsões, a equipe sintetizou oito materiais de poliheptazina imida, cada um incorporando um íon metálico diferente. Os materiais foram então avaliados quanto à sua capacidade de catalisar a produção de peróxido de hidrogênio.

“Os resultados mostraram claramente um elevado grau de concordância com as nossas previsões e superaram os métodos de cálculo concorrentes”, conclui Hajiahmadi.

Kühne acrescenta: “Se houvesse alguma dúvida sobre as imidas de poliheptazina serem uma das plataformas mais promissoras para tecnologias fotocatalíticas de próxima geração, acredito que este trabalho as colocou de lado. O caminho em direção ao projeto direcionado de fotocatalisadores de imida de poliheptazina eficientes para reações sustentáveis ​​é mais claro agora. Acredito firmemente que será trilhado com frequência e com sucesso. “