Tornar a produção sustentável de peróxido de hidrogénio mais eficiente
Uma equipa de investigação descobriu uma forma otimizada de produzir peróxido de hidrogénio de forma mais sustentável
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O peróxido de hidrogénio (H₂O₂) é uma matéria-prima química versátil, cuja produção industrial assenta predominantemente num processo com elevado consumo de energia e um impacto ambiental significativo. Uma alternativa consiste em produzi-lo utilizando um catalisador ativado pela luz. Num projeto de investigação internacional que envolve o Instituto Max Planck de Colóides e Interfaces, os investigadores desenvolveram agora uma estratégia de síntese que lhes permite controlar com precisão a disposição espacial dos iões num nitreto de carbono. O fotocatalisador resultante é três vezes mais eficiente do que os métodos de produção ecológicos convencionais. Os resultados foram publicados na revista Advanced Materials.
Anna Lo Presti e Christian Mark Pelicano estão a trabalhar no fotocatalisador no laboratório.
© MPIKG/Neubauer
O peróxido de hidrogénio é um agente oxidante amigo do ambiente. Quando se decompõe, produz apenas água e oxigénio, razão pela qual é também conhecido como «produto químico verde». À medida que a procura cresce, nomeadamente para o tratamento ecológico de águas residuais e para a desinfeção doméstica e médica, os volumes de produção continuam a aumentar.
Para satisfazer esta procura, o peróxido de hidrogénio continua a ser produzido predominantemente através do chamado processo da antraquinona, que implica elevados custos energéticos e tem uma pegada de carbono substancial. A fotocatálise é uma alternativa promissora. Neste processo, um material absorve luz e utiliza a sua energia para impulsionar uma reação química sem recorrer a energia fóssil. A eficiência da reação depende, entre outros fatores, da facilidade com que as cargas geradas pela luz se movem através do material e do tempo durante o qual permanecem disponíveis para impulsionar a reação.
O grupo de investigação analisou, por isso, como estas propriedades poderiam ser influenciadas logo na fase de montagem química do fotocatalisador. «Em vez de alterar a composição química de um fotocatalisador para o tornar mais eficiente, tentámos alterar a forma como os blocos de construção estão dispostos», afirma o autor correspondente, o Dr. Christian M. Pelicano, que lidera o grupo de investigação «SunThesis» no Instituto Max Planck, em Potsdam, e que tem vindo a investigar este tema desde 2023.
Para o efeito, os investigadores utilizaram cocristais iônicos orgânico-inorgânicos. Estes permitem prever com precisão como os iões serão distribuídos à medida que os cristais são convertidos termicamente no material final. Utilizando esta abordagem, a equipa desenvolveu um material denominado «CALiK». Trata-se de um nitreto de carbono cristalino pertencente à classe de materiais da poliheptazina imida (PHI) e que contém iões de lítio e de potássio num ambiente espacialmente controlado.
«Estes cristais já eram conhecidos, mas fomos os primeiros a utilizá-los como precursores de nitretos de carbono. O que despertou o nosso interesse foi o facto de conterem os mesmos componentes químicos que os precursores que utilizamos normalmente. A principal diferença é que os iões já se encontram dispostos de uma forma específica, e questionámo-nos se essa disposição poderia ser transferida para o material de nitreto de carbono», afirma Pelicano.
Nos métodos de produção convencionais, estes iões são normalmente introduzidos no material de forma desordenada, utilizando um sal fundido. Isto oferece apenas um controlo limitado sobre a sua distribuição espacial. Experiências comparativas com materiais produzidos por outros métodos ajudaram a equipa a compreender a influência da estratégia de síntese escolhida, independentemente da composição química por si só.
Um arranjo definido de iões melhora o desempenho fotocatalítico
Nas condições testadas, o CALiK produziu cerca de três vezes mais peróxido de hidrogénio do que o material de comparação preparado convencionalmente, o KPHI, e cerca de 40 por cento mais do que o material com melhor desempenho testado, que continha apenas um tipo de catião, o CALi. Quando irradiado com luz a um comprimento de onda de 410 nanómetros, o CALiK atingiu um rendimento quântico aparente de 58 por cento, o mais elevado entre os catalisadores comparados. Esta medida descreve a forma como os fotões de luz são convertidos em eletrões para participarem na reação química.
«A disposição espacial dos iões no material otimizado faz uma diferença considerável», afirma a primeira autora, Anna Lo Presti, uma química a realizar o seu doutoramento sobre este tema no Instituto Max Planck. «Conseguimos demonstrar, pela primeira vez, que não é apenas o tipo ou a quantidade de iões que importa, mas também a sua posição na rede cristalina.»
Para investigar a razão por detrás do melhor desempenho, os investigadores combinaram análises estruturais com medições espectroscópicas e eletroquímicas. Descobriram que as cargas geradas pela luz se separam de forma mais eficaz no CALiK e, por isso, permanecem disponíveis para a reação com o oxigénio durante mais tempo. Cálculos adicionais sugerem que a distribuição espacial dos iões de lítio altera o ambiente eletrónico no interior do material, facilitando assim a ativação do oxigénio. É de salientar, no entanto, que os cálculos se baseiam em estruturas-modelo simplificadas e, por isso, ainda não captam na íntegra os processos que ocorrem no material real. Ainda assim, o estudo proporciona uma abordagem empolgante e intuitiva para otimizar os fotocatalisadores poliméricos já durante a sua síntese.
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