Método movido a energia solar ilumina o caminho para uma indústria química "desfossilizada
"Folha artificial" com semicondutores orgânicos e enzimas bacterianas para a conversão sustentável de CO₂ - sem componentes tóxicos
Anúncios
Os investigadores demonstraram uma forma nova e sustentável de fabricar os produtos químicos que estão na base de milhares de produtos - dos plásticos aos cosméticos - que utilizamos todos os dias.
Fotocátodo orgânico semi-artificial em funcionamento
Celine Yeung
Fotocátodo orgânico semi-artificial
Celine Yeung
Centenas de milhares de produtos químicos são fabricados pela indústria química, que transforma matérias-primas - geralmente combustíveis fósseis - em produtos finais úteis. Devido à sua dimensão e à utilização de matérias-primas provenientes de combustíveis fósseis, a indústria química é responsável por cerca de 6% das emissões globais de carbono.
Mas os investigadores, liderados pela Universidade de Cambridge, estão a desenvolver novos métodos que poderão um dia conduzir à "desfossilização" deste importante sector.
Os investigadores desenvolveram um dispositivo híbrido que combina polímeros orgânicos que captam a luz com enzimas bacterianas para converter a luz solar, a água e o dióxido de carbono em formiato, um combustível que pode conduzir a outras transformações químicas.
A sua "folha semi-artificial" imita a fotossíntese, o processo utilizado pelas plantas para converter a luz solar em energia, e não necessita de qualquer fonte de energia externa. Ao contrário dos protótipos anteriores, que dependiam frequentemente de absorventes de luz tóxicos ou instáveis, a nova conceção bio-híbrida evita semicondutores tóxicos, dura mais tempo e pode funcionar sem produtos químicos adicionais que anteriormente impediam a eficiência.
Nos testes, os investigadores utilizaram a luz solar para converter o dióxido de carbono em formiato e depois utilizaram-no diretamente numa reação química "dominó" para produzir um tipo importante de composto utilizado em produtos farmacêuticos, com elevado rendimento e pureza.
Os seus resultados, publicados na revista Joule, marcam a primeira vez que semicondutores orgânicos foram utilizados como componente de captação de luz neste tipo de dispositivo bio-híbrido, abrindo a porta a uma nova família de folhas artificiais sustentáveis.
A indústria química é fundamental para a economia mundial, produzindo desde produtos farmacêuticos e fertilizantes a plásticos, tintas, eletrónica, produtos de limpeza e de higiene pessoal.
"Se quisermos construir uma economia circular e sustentável, a indústria química é um problema grande e complexo que temos de resolver", afirmou o Professor Erwin Reisner do Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, que liderou a investigação. "Temos de encontrar formas de desfossilizar este importante sector, que produz tantos produtos importantes de que todos precisamos. É uma grande oportunidade, se conseguirmos fazê-lo corretamente".
O grupo de investigação 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 projectos anteriores dependem de catalisadores sintéticos ou semicondutores inorgânicos, que se degradam rapidamente, desperdiçam grande parte do espetro solar ou contêm elementos tóxicos como o chumbo.
"Se conseguirmos eliminar os componentes tóxicos e começarmos a utilizar elementos orgânicos, teremos uma reação química limpa e um único produto final, sem reacções secundárias indesejadas", afirmou a coautora Celine Yeung, que realizou a investigação como parte do seu trabalho de doutoramento 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 selectivos e eficientes".
O novo dispositivo integra semicondutores orgânicos com enzimas de bactérias redutoras de sulfato, dividindo a água em hidrogénio e oxigénio ou convertendo o dióxido de carbono em formato.
Os investigadores também resolveram um desafio de longa data: a maioria dos sistemas requer aditivos químicos, conhecidos como tampões, para manter as enzimas a funcionar. Estes podem decompor-se rapidamente e limitar a estabilidade. Ao incorporar uma enzima auxiliar, a anidrase carbónica, numa estrutura porosa de titânia, os investigadores permitiram que o sistema funcionasse numa solução simples de bicarbonato - semelhante à água com gás - sem aditivos insustentáveis.
"É como um grande puzzle", disse o coautor Yongpeng Liu, um investigador de pós-doutoramento no laboratório de Reisner. "Temos todos estes componentes diferentes que temos tentado juntar para um único objetivo. Demorámos muito tempo a descobrir como esta enzima específica é imobilizada num elétrodo, mas estamos agora a começar a ver os frutos destes esforços".
"Estudando realmente a forma como a enzima funciona, conseguimos conceber com precisão os materiais que compõem as diferentes camadas do nosso dispositivo tipo sanduíche", disse Yeung. "Esta conceção fez com que as peças trabalhassem em conjunto de forma mais eficaz, desde a minúscula nanoescala até à folha artificial completa."
Os testes mostraram que a folha artificial produziu correntes elevadas e alcançou uma eficiência quase perfeita na orientação dos electrões para as reacções de produção de combustível. O dispositivo funcionou com êxito durante mais de 24 horas: mais do dobro do tempo dos projectos anteriores.
Os investigadores esperam continuar a desenvolver os seus projectos para prolongar o tempo de vida do dispositivo e adaptá-lo para que possa produzir diferentes tipos de produtos químicos.
"Mostrámos que é possível criar dispositivos alimentados a energia solar que não só são eficientes e duradouros, como também não contêm componentes tóxicos ou não sustentáveis", afirmou Reisner. "Esta poderá ser uma plataforma fundamental para a produção de combustíveis e produtos químicos ecológicos no futuro - é uma verdadeira oportunidade para fazer uma química excitante e importante".
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
Outras notícias do departamento ciência
