O crescimento econa´mico global vem com o aumento da demanda por energia, mas aumentar a produção de energia pode ser um desafio. Recentemente, os cientistas alcana§aram eficiência recorde para a conversão de energia solar em combusta­vel e agora querem incorporar a maquinaria da fotossa­ntese para leva¡-la adiante. Os pesquisadores apresentara£o seus resultados hoje no Encontro Virtual Outono 2020 da American Chemical Society (ACS) e Expo.

“Queremos fabricar um sistema fotocatala­tico que use a luz solar para impulsionar reações químicas de importa¢ncia ambiental”, diz Lilac Amirav, Ph.D., pesquisador principal do projeto.

Especificamente, seu grupo no Instituto de Tecnologia de Israel estãoprojetando um fotocatalisador que pode decompor a águaem combusta­vel de hidrogaªnio . "Quando colocamos nossas nanoparta­culas em forma de bastão na águae iluminamos elas, elas geram cargas elanãtricas positivas e negativas", diz Amirav. "As moléculas de águase rompem; as cargas negativas produzem hidrogaªnio (redução) e as positivas produzem oxigaªnio (oxidação). As duas reações, envolvendo as cargas positiva e negativa, devem ocorrer simultaneamente. Sem tirar proveito das cargas positivas, o cargas negativas não podem ser direcionadas para produzir o hidrogaªnio desejado. "

Se as cargas positivas e negativas, que são atraa­das uma pela outra, conseguem se recombinar, elas se cancelam e a energia éperdida. Portanto, para garantir que as cargas estejam suficientemente distantes, a equipe construiu heteroestruturas exclusivas compostas por uma combinação de diferentes semicondutores, juntamente com catalisadores de metal e a³xido de metal. Usando um sistema modelo, eles estudaram as reações de redução e oxidação separadamente e alteraram a heteroestrutura para otimizar a produção de combusta­vel.

Em 2016, a equipe projetou uma heteroestrutura com um ponto qua¢ntico esfanãrico de seleneto de ca¡dmio embutido em um pedaço de sulfeto de ca¡dmio em forma de bastão. Uma parta­cula meta¡lica de platina foi localizada na ponta. A parta­cula de seleneto de ca¡dmio atraiu cargas positivas, enquanto cargas negativas se acumularam na ponta. "Ajustando o tamanho do ponto qua¢ntico e o comprimento da haste, bem como outros parametros, alcana§amos 100% de conversão da luz solar em hidrogaªnio a partir da redução da a¡gua", diz Amirav. Uma única nanoparta­cula de fotocatalisador pode produzir 360.000 moléculas de hidrogaªnio por hora, observa ela.

O grupo publicou seus resultados na revista ACS Nano Letters . Mas, nesses experimentos, eles estudaram apenas metade da reação (a redução). Para funcionar corretamente, o sistema fotocatala­tico deve suportar as reações de redução e oxidação. “Nãoesta¡vamos convertendo energia solar em combusta­vel ainda”, diz Amirav. "Ainda precisa¡vamos de uma reação de oxidação que fornecesse elanãtrons continuamente ao ponto qua¢ntico." A reação de oxidação da águaocorre em um processo de várias etapas e, como resultado, permanece um desafio significativo. Além disso, seus subprodutos parecem comprometer a estabilidade do semicondutor.

Junto com colaboradores, o grupo explorou uma nova abordagem - procurando por diferentes compostos que pudessem ser oxidados no lugar da água- que os levou a  benzilamina. Os pesquisadores descobriram que podiam produzir hidrogaªnio a partir da águae, ao mesmo tempo, transformar a benzilamina em benzaldea­do. “Com essa pesquisa, transformamos o processo de fotocata¡lise em fotossa­ntese, ou seja, a conversão genua­na da energia solar em combusta­vel”, diz Amirav. O sistema fotocatala­tico realiza a conversão real da energia solar em ligações químicas armazena¡veis, com um ma¡ximo de 4,2% de eficiência de conversão de energia solar em química. “Este número estabelece um novo recorde mundial no campo da fotocata¡lise e duplica o recorde anterior”, observa ela. "O Departamento de Energia dos Estados Unidos definiu 5-10% como ' limiar de viabilidade prática 'para a geração de hidrogaªnio por fotocata¡lise. Consequentemente, estamos a  beira de uma conversão economicamente via¡vel de energia solar em hidrogaªnio. "

Esses resultados impressionantes motivaram os pesquisadores a ver se existem outros compostos com altas conversaµes solar em química. Para isso, a equipe estãousando inteligaªncia artificial. Por meio de uma colaboração, os pesquisadores estãodesenvolvendo um algoritmo para pesquisar estruturas químicas em busca de um composto ideal para a produção de combusta­vel. Além disso, eles estãoinvestigando maneiras de melhorar seu fotossistema, e uma delas pode ser inspirar-se na natureza. Um complexo de protea­nas em membranas celulares de plantas que compreende o circuito elanãtrico da fotossa­ntese foi combinado com sucesso com nanopartículas Amirav diz que este sistema artificial atéagora tem se mostrado fruta­fero, apoiando a águaoxidação ao fornecer fotocorrente 100 vezes maior do que a produzida por outros sistemas semelhantes.