Químicos do Laboratório Nacional de Brookhaven, do Departamento de Energia dos EUA, desenvolveram um novo catalisador que acelera a taxa de uma etapa-chave na "fotossíntese artificial" - um esforço para imitar como as plantas, algas, e algumas bactérias aproveitam a luz solar para converter água e dióxido de carbono em combustíveis ricos em energia. Esta etapa, chamada de oxidação da água, libera prótons e elétrons das moléculas de água, produção de oxigênio como subproduto.

Este catalisador de "local único" - ou seja, toda a sequência de reação ocorre em um único local catalítico de uma molécula - é o primeiro a corresponder à eficiência dos locais catalíticos que conduzem essa reação na natureza. O design de um único local e a alta eficiência aumentam muito o potencial para fazer dispositivos eficientes de conversão de energia solar em combustível.

"O objetivo final é quebrar esses blocos de construção moleculares - os prótons e elétrons - para fazer combustíveis como o hidrogênio, "disse David Shaffer, um associado de pesquisa Brookhaven e autor principal em um artigo que descreve o trabalho no Jornal da American Chemical Society . "Quanto mais eficiente for o ciclo de oxidação da água, mais energia podemos armazenar. "

Mas quebrar as moléculas de água não é fácil.

"A água é muito estável, "disse o químico de Brookhaven Javier Concepcion, que liderou a equipe de pesquisa. "A água pode passar por muitos ciclos de ebulição / condensação e permanecer como H2O. Para retirar os prótons e elétrons, precisamos fazer as moléculas de água reagirem umas com as outras. "

O catalisador atua como um manipulador químico, embaralhando os ativos das moléculas de água - elétrons, íons de hidrogênio (prótons), e átomos de oxigênio - para fazer a reação acontecer.

O novo design do catalisador se baseia em um que o grupo desenvolveu no ano passado, liderado pelo estudante de graduação Yan Xie, que também era um catalisador de sítio único, com todos os componentes necessários para a reação em uma única molécula. Essa abordagem é atraente porque os cientistas podem otimizar como as várias partes são organizadas de forma que as moléculas reagentes se unam da maneira certa. Esses catalisadores não dependem da difusão livre de moléculas em uma solução para realizar as reações, então eles tendem a continuar funcionando mesmo quando fixados em uma superfície, como seriam em dispositivos do mundo real.

"Usamos modelagem de computador para estudar as reações em nível teórico para nos ajudar a projetar nossas moléculas, "Disse Concepcion." A partir dos cálculos temos uma ideia do que vai funcionar ou não, o que economiza tempo antes de entrarmos no laboratório. "

Tanto no design de Xie quanto na nova melhoria, há um metal no núcleo da molécula, rodeado por outros componentes, os cientistas podem escolher dar ao catalisador propriedades particulares. A reação começa oxidando o metal, que puxa os elétrons para longe do oxigênio em uma molécula de água. Isso deixa para trás uma "carga positiva, "ou" ativado, "oxigênio e dois hidrogênios carregados positivamente (prótons).

"Tirar os elétrons torna os prótons mais fáceis de liberar. Mas você precisa que esses prótons vão para algum lugar. E é mais eficiente se você remover os elétrons e prótons ao mesmo tempo para evitar o acúmulo de cargas em excesso, ", Disse Concepcion." Então, Xie adicionou grupos fosfonato como ligantes no metal para atuar como uma base que aceitaria esses prótons, ", explicou. Esses grupos fosfonato também tornaram mais fácil oxidar o metal para remover os elétrons em primeiro lugar.

Mas ainda havia um problema. Para ativar a molécula de H2O, você primeiro precisa se ligar ao átomo de metal no centro do catalisador.

No primeiro design, os grupos fosfonato estavam tão fortemente ligados ao metal que impediam a molécula de água de se ligar ao catalisador cedo o suficiente para manter o processo funcionando sem problemas. Isso desacelerou o ciclo catalítico.

Então a equipe fez uma substituição. Eles mantiveram um grupo fosfonato para atuar como base, mas trocou o outro por um carboxilato menos fortemente ligado.

"O grupo carboxilato pode ajustar mais facilmente sua coordenação ao centro do metal para permitir que a molécula de água entre e reaja em um estágio anterior, "Shaffer disse.

"Quando tentamos projetar catalisadores melhores, primeiro tentamos descobrir qual é o passo mais lento. Em seguida, redesenhamos o catalisador para tornar essa etapa mais rápida, "disse ele." O trabalho de Yan deu um passo mais rápido, e isso fez com que uma das outras etapas acabasse sendo a mais lenta. Portanto, no trabalho atual, aceleramos essa segunda etapa enquanto mantemos a primeira rápida. "

A melhoria transformou um catalisador que criou duas ou três moléculas de oxigênio por segundo em um que produz mais de 100 por segundo - com um aumento correspondente na produção de prótons e elétrons que podem ser usados ​​para criar combustível de hidrogênio.

"Essa é uma taxa comparável à taxa dessa reação na fotossíntese natural, por site catalítico, ", Disse Concepcion." O catalisador de fotossíntese natural tem quatro centros de metal e o nosso só tem um, "ele explicou." Mas o sistema natural é muito complexo com milhares e milhares de átomos. Seria extremamente difícil replicar algo assim no laboratório. Esta é uma única molécula e tem a mesma função que aquele sistema muito complexo. "

A próxima etapa é testar o novo catalisador em dispositivos que incorporam eletrodos e outros componentes para converter prótons e elétrons em combustível de hidrogênio - e depois, com compostos que absorvem a luz para fornecer energia para conduzir toda a reação.

"Agora temos sistemas que estão funcionando muito bem, então estamos muito esperançosos, "Concepcion disse.