Classe de materiais fotocatalíticos: grandes expectativas reforçadas

As imidas de poli-heptazina pertencem à família dos nitretos de carbono, que são compostos em camadas, semelhantes ao grafeno, compostos por unidades ricas em azoto e em forma de anel. Ao contrário do grafeno, que apresenta uma excelente condutividade eléctrica mas não tem atividade fotocatalítica, as imidas de poli-heptazina possuem intervalos de banda adequados para a absorção de luz visível.

Os materiais à base de nitreto de carbono impressionam devido ao seu baixo custo de produção, não toxicidade e estabilidade térmica. No entanto, a primeira geração destes materiais não era um fotocatalisador ideal, uma vez que os materiais possuíam propriedades que impediam a separação de cargas. Se um material tiver uma separação de cargas baixa, o eletrão excitado por um fotão que chega recombina-se rapidamente com o buraco de onde foi expulso - e liberta energia apenas como calor ou luz. Não há energia disponível para desencadear reacções químicas. "As imidas de poli-heptazina que contêm iões metálicos com carga positiva apresentam uma separação de cargas nitidamente melhorada. Esta caraterística torna-as altamente adequadas para aplicações práticas", afirma a primeira autora, a Dra. Zahra Hajiahmadi.

A informática reduz as opções

São necessários melhores materiais, por exemplo, para concretizar o potencial económico esperado de reacções fotocatalíticas como a separação 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) ou a produção de peróxido de hidrogénio (como produto químico industrial básico). Para conceber com êxito um material de imida de poli-heptazina que catalise sem problemas uma reação desejada, os investigadores têm de afinar todos os aspectos do material. Obviamente, isto não pode ser feito através da síntese de todos os materiais candidatos possíveis. É aqui que a informática vem em socorro.

"Thomas D. Kühne, Diretor do CASUS, líder da equipa de investigação CASUS "Teoria dos Sistemas Complexos" e autor sénior da nova publicação. "É possível, por exemplo, adicionar grupos funcionais à superfície ou substituir átomos específicos de azoto ou de carbono por átomos de oxigénio ou de fósforo". O grupo de Kühne no CASUS está a desenvolver novas técnicas numéricas, que são tão eficientes quanto possível e, ao mesmo tempo, reproduzem qualitativamente a química e a física corretas do sistema subjacente.

Encontrar o material perfeito - de uma forma sistemática

A investigação de Hajiahmadi centrou-se na principal caraterística das imidas de poli-heptazina: os poros carregados negativamente que podem ser equipados com iões metálicos carregados positivamente. Esta configuração pode aumentar consideravelmente a atividade catalítica. O trabalho de Hajiahmadi é o primeiro estudo exaustivo sobre a influência de diferentes iões metálicos nas propriedades optoelectrónicas das imidas de poli-heptazina. No total, 53 iões metálicos diferentes foram analisados e classificados quanto à sua localização (no plano ou entre as camadas) e ao seu efeito na geometria do material (resultando ou não numa distorção).

"Utilizámos uma estrutura computacional fiável e reprodutível que vai além das abordagens de modelização convencionais", afirma Hajiahmadi. "Os estudos computacionais padrão dos fotocatalisadores centram-se normalmente nas propriedades do estado fundamental e negligenciam os efeitos do estado excitado, apesar do facto de a fotocatálise ser inerentemente impulsionada por portadores de carga fotoexcitados. Especificamente, empregamos métodos de teoria de perturbação de muitos corpos". Partindo de um sistema sem interação facilmente solucionável, estes métodos tratam as interações como pequenas perturbações. Os efeitos das interações são calculados como pequenas correcções à solução conhecida. No final, todas as expansões matemáticas resultam numa aproximação da forma como grandes grupos de partículas se influenciam mutuamente. Devido ao seu elevado custo computacional, estes métodos são raramente utilizados neste domínio. Mas o estudo apresentado confirma claramente que os benefícios são esmagadores, uma vez que o novo quadro computacional permite uma descrição qualitativamente exacta da absorção ótica e da estrutura eletrónica de um material sob iluminação.

Utilizando esta abordagem, os cientistas investigaram sistematicamente a forma como os diferentes iões metálicos influenciam a geometria da rede polimérica de imida de poliheptazina. Os resultados mostram que a incorporação de iões pode induzir distorções estruturais distintas, incluindo alterações no espaçamento entre camadas e nos ambientes de ligação locais. Estas modificações geométricas afectam diretamente a estrutura da banda eletrónica e o comportamento ótico, incluindo a eficiência da captação de luz.

Para validar as previsões teóricas, oito imidas de poli-heptazina, cada uma equipada com um metal diferente, foram sintetizadas e testadas quanto à sua aptidão para catalisar a produção de peróxido de hidrogénio. "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 havia dúvidas sobre o facto de as imidas de poli-heptazina serem uma das plataformas mais promissoras para as tecnologias fotocatalíticas da próxima geração, creio que este trabalho as dissipou. O caminho para a conceção orientada de fotocatalisadores eficientes de imidas de poli-heptazina para reacções sustentáveis é agora mais claro. Acredito firmemente que será percorrido com frequência e com sucesso".