Esta folha artificial transforma poluição em energia

Agora, uma equipa liderada pela Universidade de Cambridge está a explorar abordagens inovadoras que poderão eventualmente “desfossilizar” esta indústria vital.

Sua descoberta envolve um dispositivo híbrido que reúne polímeros orgânicos que absorvem luz e enzimas bacterianas para transformar a luz solar, a água e o dióxido de carbono em formato, um combustível limpo que pode alimentar reações químicas adicionais.

Esta “folha semi-artificial” replica a fotossíntese, o processo natural que as plantas utilizam para transformar a luz solar em energia, e funciona inteiramente com a sua própria energia. Ao contrário dos designs anteriores que dependiam de absorvedores de luz tóxicos ou instáveis, este novo modelo biohíbrido utiliza materiais não tóxicos, funciona com mais eficiência e permanece estável sem aditivos extras.

Em testes de laboratório, a equipe utilizou com sucesso a luz solar para converter dióxido de carbono em formato e depois aplicou-o diretamente em uma reação “dominó” para sintetizar um composto valioso usado em produtos farmacêuticos, alcançando alto rendimento e pureza.

De acordo com descobertas publicadas em Jouleisto marca o primeiro caso em que semicondutores orgânicos serviram como componente de captura de luz em tal sistema biohíbrido, abrindo caminho para uma nova geração de folhas artificiais ecológicas.

A indústria química continua a ser uma pedra angular da economia global, produzindo uma vasta gama de produtos – desde medicamentos e fertilizantes a plásticos, tintas, electrónica, agentes de limpeza e produtos de higiene pessoal.

“Se quisermos construir uma economia circular e sustentável, a indústria química é um problema grande e complexo que devemos resolver”, disse o professor Erwin Reisner, do Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, que liderou a investigação. “Temos de encontrar formas de desfossilizar este importante setor, que produz tantos produtos importantes de que todos necessitamos. Será uma enorme oportunidade se conseguirmos fazer tudo corretamente.”

O grupo de pesquisa de Reisner é especializado no desenvolvimento de folhas artificiais, que transformam a luz solar em combustíveis e produtos químicos à base de carbono, sem depender de combustíveis fósseis. Mas muitos dos seus projetos anteriores dependiam de catalisadores sintéticos ou semicondutores inorgânicos, que se degradam rapidamente, desperdiçam grande parte do espectro solar ou contêm elementos tóxicos como o chumbo.

“Se pudermos remover os componentes tóxicos e começarmos a usar elementos orgânicos, acabaremos com uma reação química limpa e um único produto final, sem quaisquer reações colaterais indesejadas”, disse a coautora Dra. Celine Yeung, que concluiu a pesquisa como parte de seu trabalho de doutorado no laboratório de Reisner. “Este dispositivo combina o melhor dos dois mundos – os semicondutores orgânicos são sintonizáveis ​​e não tóxicos, enquanto os biocatalisadores são altamente seletivos e eficientes.”

O novo dispositivo integra semicondutores orgânicos com enzimas de bactérias redutoras de sulfato, dividindo a água em hidrogênio e oxigênio ou convertendo dióxido de carbono em formato.

Os investigadores também abordaram um desafio de longa data: a maioria dos sistemas requer aditivos químicos, conhecidos como tampões, para manter as enzimas em funcionamento. Estes podem quebrar rapidamente e limitar a estabilidade. Ao incorporar uma enzima auxiliar, a anidrase carbônica, em uma estrutura porosa de titânio, os pesquisadores permitiram que o sistema funcionasse em uma solução simples de bicarbonato – semelhante à água com gás – sem aditivos insustentáveis.

“É como um grande quebra-cabeça”, disse o coautor Dr. Yongpeng Liu, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Reisner. “Temos todos esses componentes diferentes que tentamos reunir para um único propósito. Demoramos muito para descobrir como essa enzima específica é imobilizada em um eletrodo, mas agora estamos começando a ver os frutos desses esforços.”

“Ao realmente estudar como a enzima funciona, fomos capazes de projetar com precisão os materiais que compõem as diferentes camadas do nosso dispositivo tipo sanduíche”, disse Yeung. “Este design fez com que as peças funcionassem juntas de forma mais eficaz, desde a minúscula nanoescala até a folha totalmente artificial.”

Os testes mostraram que a folha artificial produzia altas correntes e alcançava uma eficiência quase perfeita no direcionamento de elétrons para reações de produção de combustível. O dispositivo funcionou com sucesso por mais de 24 horas: mais que o dobro do tempo dos designs anteriores.

Os pesquisadores esperam desenvolver ainda mais seus projetos para prolongar a vida útil do dispositivo e adaptá-lo para produzir diferentes tipos de produtos químicos.

“Mostramos que é possível criar dispositivos movidos a energia solar que não sejam apenas eficientes e duráveis, mas também livres de componentes tóxicos ou insustentáveis”, disse Reisner. “Esta poderia ser uma plataforma fundamental para a produção de combustíveis e produtos químicos verdes no futuro – é uma oportunidade real para fazer alguma química interessante e importante.”

A pesquisa foi apoiada em parte pela Agência de Ciência, Tecnologia e Pesquisa de Cingapura (A*STAR), pelo Conselho Europeu de Pesquisa, pela Fundação Nacional Suíça de Ciência, pela Academia Real de Engenharia e pela Pesquisa e Inovação do Reino Unido (UKRI). Erwin Reisner é membro do St John’s College, Cambridge. Celine Yeung é membro do Downing College, Cambridge.