Os cientistas estão um passo mais perto de construir um sistema de reciclagem de carbono que pode coletar energia solar para converter CO2 e água de forma eficiente em combustíveis líquidos. Ao otimizar muitas partes do sistema, os pesquisadores dizem, eles agora podem conduzir reações químicas de dois elétrons, um avanço substancial sobre as reações de um elétron, que são ineficientes em termos de energia.

A pesquisa, relatado no jornal Química da Natureza , ajudará aqueles que esperam encontrar uma maneira de converter o excesso de dióxido de carbono na atmosfera em fontes de energia úteis, disse o professor de química da Universidade de Illinois, Prashant Jain, quem liderou a nova pesquisa.

"Os cientistas costumam olhar para as plantas em busca de métodos para transformar a luz do sol, dióxido de carbono e água em combustíveis, " ele disse.

Quando a energia solar atinge as folhas das plantas, ele excita os elétrons na clorofila. Esses elétrons excitados, em última análise, conduzem a química que transforma o dióxido de carbono e a água em glicose.

"Muitas dessas reações químicas são multiprótons, reações multielétrons, "Jain disse.

Mas, em vez de depender de pigmentos vegetais biodegradáveis ​​para converter a energia da luz em energia química, os cientistas estão se voltando para algo melhor:catalisadores de metais ricos em elétrons, como ouro, que em intensidades de luz e comprimentos de onda específicos podem transferir elétrons e prótons fotoexcitados para reagentes sem serem degradados ou esgotados.

"Em nosso estudo, usamos partículas esféricas de ouro com 13 a 14 nanômetros de tamanho, "Disse Jain." As nanopartículas têm propriedades ópticas únicas, dependendo de seu tamanho e forma. "

Quando revestido com um polímero e suspenso em água, por exemplo, as nanopartículas absorvem luz verde e refletem uma cor vermelha profunda. Sob excitação de luz, as nanopartículas transferem elétrons para moléculas de sondagem, que então mudam de cor. Isso permite aos cientistas medir a eficiência com que as reações de transferência de elétrons estão ocorrendo.

"Os pesquisadores conseguiram no passado usar a fotoquímica e esses materiais que absorvem a luz para transferir um elétron de cada vez, "Jain disse." Mas no novo estudo, identificamos os princípios, regras e condições sob as quais um catalisador de nanopartículas de metal pode transferir dois elétrons por vez. "

Ao variar a intensidade da luz laser usada nos experimentos, Jain e seus colegas descobriram que com quatro a cinco vezes a intensidade da energia solar, as nanopartículas de ouro no sistema poderiam transferir até dois elétrons por vez do etanol para uma sonda faminta de elétrons.

As reações de dois elétrons são muito preferíveis às reações de um elétron, Jain disse.

"Você precisa de um par de elétrons para fazer uma ligação entre os átomos, "ele disse." Quando você não fornece um par de elétrons - e um par de prótons para neutralizar a perda de elétrons - você acaba criando radicais livres, que são altamente reativos e podem reagir de volta, desperdiçando a energia que você usou para criá-los. Eles também podem reagir com outros produtos químicos ou destruir o catalisador. "

Jain também concluiu que experimentos recentes conduzidos por seu laboratório usando o mesmo sistema também envolviam multielétrons, transferências multiprótons. Nesses experimentos, seu laboratório converteu CO2 em etano, um composto de dois carbonos que é mais rico em energia do que o metano, que contém apenas um carbono. Jain e seus colegas esperam gerar propano, que tem uma estrutura de três carbonos, e butano, que tem quatro.

“Do ponto de vista da química, é interessante entender as regras para amarrar átomos de carbono juntos, "Disse Jain." Transferindo mais de um elétron por vez, ativar mais de uma molécula de dióxido de carbono por vez na superfície do catalisador de nanopartículas pode nos dar acesso a hidrocarbonetos superiores. "

Embora as novas descobertas representem um importante passo em frente, muito mais trabalho deve ser feito antes que esta tecnologia esteja pronta para ser empregada e ampliada para atender aos desafios atuais, Jain disse.

"Ainda há um longo caminho a percorrer. Acho que precisaremos de pelo menos uma década para encontrar o sequestro de CO2 prático, Fixação de CO2, tecnologias de formação de combustível que são economicamente viáveis, "disse ele." Mas cada percepção do processo melhora o ritmo em que a comunidade de pesquisa pode se mover. "