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Fotossíntese artificial gera hidrogênio para células a combustível

Redação do Site Inovação Tecnológica – 18/02/2010

”]Fontes de energia do futuro

 

Células de combustível alimentadas por hidrogênio e energia solar são as duas maiores esperanças para as fontes de energia do futuro, que sejam mais amigáveis ambientalmente e, sobretudo, sustentáveis.

A combinação das duas então, é considerada como particularmente limpa: produzir hidrogênio para alimentar as células a combustível quebrando moléculas de água com a luz solar seria de fato o melhor dos mundos.

Esta é a chamada fotossíntese artificial, que vem sendo alvo de pesquisas de vários grupos de cientistas ao redor do mundo, com diferentes abordagens.

Eletrodo fotocatalítico

Agora, uma equipe liderada por Thomas Nann e Christopher Pickett, da Universidade de East Anglia, no Reino Unido, criou um fotoeletrodo eficiente e robusto e que pode ser fabricado com materiais comuns, de baixo custo.

O novo sistema consiste de um eletrodo de ouro que é recoberto com camadas formadas por nanopartículas de fosfeto de índio (InP). A seguir, os pesquisadores adicionaram um composto de ferro-enxofre [Fe2S2(CO)6] sobre as camadas.

Quando submerso em água e iluminado com a luz do Sol, sob uma corrente elétrica relativamente fraca, este sistema fotoeletrocatalítico produz hidrogênio com uma eficiência de 60%.

“Esta eficiência relativamente elevada é um avanço”, diz Nann.

Fotossíntese artificial

Que o sistema funciona os pesquisadores já comprovaram. Mas como ele funciona? Entender os mecanismos da reação é essencial para aprimorá-lo e levá-lo até aplicações práticas.

Os pesquisadores teorizam o seguinte mecanismo para a reação: as partículas de luz são absorvidas pelo nanocristais de InP, excitando os elétrons em seu interior. Nesse estado excitado, os elétrons podem ser transferidos para o composto de ferro-enxofre.

Em uma reação catalítica, o composto de ferro-enxofre então transfere seus elétrons para os íons hidrogênio (H+) na água em volta, que são então liberados sob a forma de moléculas de hidrogênio (H2). O eletrodo de ouro fornece os elétrons necessários para repovoar os nanocristais de InP.

Hidrogênio industrial

Em contraste com os processos de fotossíntese artificial já divulgados até agora, o novo sistema funciona sem moléculas orgânicas. Estas moléculas precisam ser convertidas para um estado excitado para que possam reagir, o que faz com que se degradem ao longo do tempo.

Este problema limita o tempo de vida de sistemas de fotossíntese artificial com componentes orgânicos.

O novo sistema agora descoberto é puramente inorgânico e tem, portanto, uma vida útil muito maior.

“Nosso novo sistema de eletrodo fotocatalítico é robusto, eficiente, barato e livre de metais pesados tóxicos,” afirma Nann. “Ele pode ser uma alternativa altamente promissora para a produção de hidrogênio industrial.”

Embora sejam promissoras, o hidrogênio para as células a combustível atuais é fabricado a partir do gás natural, um “primo” do petróleo.

Bibliografia:

Water Splitting by Visible Light: A Nanophotocathode for Hydrogen Production
Thomas Nann, Saad K. Ibrahim, Pei-Meng Woi, Shu Xu, Jan Ziegler, Christopher J. Pickett
Angewandte Chemie International Edition
5 Feb 2010
Vol.: Early View
DOI: 10.1002/anie.200906262

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Folha semi-artificial imita fotossíntese e produz hidrogênio limpo

Redação do Site Inovação Tecnológica – 14/01/2010

Fotossíntese artificial Fazer fotossíntese artificial é o grande sonho acalentado por todos os cientistas que lidam na área de energia.

Quando o homem conseguir replicar a “mágica” das plantas, que transformam a luz do Sol em energia, estará resolvido todo o dilema energético e ambiental da nossa civilização.

Apesar dos muitos avanços, o objetivo continua elusivo.

Folha semi-artificial

Contudo, em mais um passo que mostra que fazer fotossíntese artificial pode ser factível a longo prazo, cientistas chineses mudaram completamente a abordagem até agora utilizada para imitar a natureza e criaram uma folha artificial da maneira mais prosaica possível: usando uma folha de verdade como molde.

Dada a complexidade inerente a qualquer ser vivo, os cientistas vinham tentando compreender as moléculas envolvidas e reproduzir sinteticamente as reações químicas básicas que ocorrem no interior das folhas quando elas usam os fótons da luz solar para quebrar as moléculas de água e gerar íons de hidrogênio.

O Dr. Qixin Guo e seus colegas da Universidade Shanghai Jiao Tong adotaram um enfoque diferente. Eles substituíram alguns componentes da folha de uma anêmona (Anemone vitifolia), mas mantiveram estruturas-chave da planta, alcançando um rendimento na absorção de fótons e na geração de hidrogênio que não havia sido obtido até agora.

Em vez de criarem uma folha totalmente artificial, os cientistas optarem por criar uma folha semi-artificial, mantendo estruturas da planta otimizadas pela natureza e de difícil reprodução.

Aproveitando a natureza

Inicialmente, eles mergulharam a folha natural em uma solução de ácido hidroclorídrico, o que permitiu a substituição do magnésio dos anéis de porfirina – uma parte essencial da estrutura fotossintética das plantas – por hidrogênio.

A seguir, as folhas foram tratadas com tricloreto de titânio, que substituiu as moléculas de hidrogênio por titânio.

Depois de secas, as folhas foram aquecidas a 500 °C, criando uma estrutura cristalizada de dióxido de titânio, um material que é largamente utilizado em células solares para aumentar sua eficiência. Na folha artificial, o dióxido de titânio serve como um catalisador para quebrar as moléculas de água.

A etapa de aquecimento também queimou a maior parte do material orgânico que ainda restava da folha original.

Preservando elementos naturais

Mas nem tudo da folha original se perdeu.

Permaneceram, por exemplo, as células superficiais parecidas com lentes, que capturam a luz vinda de qualquer direção, e os microcanais que dirigem os fótons até a parte mais profunda da folha.

Foram preservados também os tilacoides, estruturas com apenas 10 nanômetros de espessura que aumentam a área superficial disponível para a fotossíntese. São os tilacoides os responsáveis pela grande eficiência das folhas na geração de hidrogênio.

Estava pronta a folha semi-artificial. Para testá-la, os pesquisadores mergulharam-na em uma solução de 20% de metanol, que funcionou como um catalisador.

Ao ser iluminada com luz na faixa do infravermelho próximo, a folha artificial absorveu duas vezes mais fótons e gerou três vezes mais hidrogênio do que os catalisadores à base de titânio disponíveis comercialmente (P25-Degussa).

Abordagem promissora

Apesar de serem números promissores em relação ao que havia sido alcançado até agora, a conversão é ainda muito ineficiente e está longe de competir com a produção industrial de hidrogênio, que hoje é feita a partir do gás natural.

Mas a abordagem mostrou-se incrivelmente promissora. Afinal, aproveitar uma parte da estrutura já desenvolvida pela natureza é muito mais simples do que tentar sintetizar toda a estrutura fotossintética natural.

Além disso, o enfoque poderá ser futuramente estudado em conjunto com as células solares fotovoltaicas tradicionais.

Bibliografia:

Artificial Inorganic Leafs for Efficient Photochemical Hydrogen Production Inspired by Natural Photosynthesis
Han Zhou, Xufan Li, Tongxiang Fan, Frank E. Osterloh, Jian Ding, Erwin M. Sabio, Di Zhang, Qixin Guo
Advanced Materials
Vol.: Published online before print
DOI: 10.1002/adma.200902039