Os engenheiros da Universidade de Lehigh são os primeiros a utilizar um processo de biomineralização de enzima única para criar um catalisador que usa a energia da luz solar capturada para dividir as moléculas de água para produzir hidrogênio. O processo de síntese é realizado à temperatura ambiente e sob pressão ambiente, superando os desafios de sustentabilidade e escalabilidade de métodos relatados anteriormente.

A separação da água movida a energia solar é uma rota promissora para uma economia baseada em energia renovável. O hidrogênio gerado pode servir tanto como combustível de transporte quanto como matéria-prima química crítica para fertilizantes e produção de produtos químicos. Ambos os setores contribuem atualmente com uma grande fração das emissões totais de gases de efeito estufa.

Um dos desafios para cumprir a promessa de produção de energia movida a energia solar é que, enquanto a água necessária é um recurso abundante, métodos explorados anteriormente utilizam rotas complexas que requerem solventes prejudiciais ao meio ambiente e grandes quantidades de energia para produzir em grande escala. As despesas e danos ao meio ambiente tornaram esses métodos impraticáveis ​​como uma solução de longo prazo.

Agora, uma equipe de engenheiros da Lehigh University utilizou uma abordagem de biomineralização para sintetizar partículas de sulfeto metálico de nanopartículas confinadas quânticas e o material de suporte de óxido de grafeno reduzido para criar um fotocatalisador que divide a água para formar hidrogênio. A equipe relatou seus resultados em um artigo intitulado:"Síntese enzimática de pontos quânticos CdS suportados / fotocatalisadores de óxido de grafeno reduzido", apresentado na capa da edição de 7 de agosto da Química verde , um jornal da Royal Society of Chemistry.

Os autores do artigo incluem:Steven McIntosh, Professor do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular de Lehigh, junto com Leah C. Spangler, ex-Ph.D. estudante e John D. Sakizadeh, atual Ph.D. aluna; também, como Christopher J. Kiely, Harold B. Chambers Professor Sênior no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais de Lehigh e Joseph P. Cline, um Ph.D. estudante trabalhando com Kiely.

"Nosso processo à base de água representa uma rota ecológica escalonável para a produção dessa tecnologia de fotocatalisador promissora, "disse McIntosh, que também é Diretor Associado do Instituto de Materiais e Dispositivos Funcionais de Lehigh.

Nos últimos anos, O grupo de McIntosh desenvolveu uma abordagem de enzima única para biomineralização - o processo pelo qual os organismos vivos produzem minerais de tamanho controlado, nanocristais de sulfeto de metal confinado quântico. Em uma colaboração anterior com Kiely, o laboratório demonstrou com sucesso o primeiro controlado com precisão, maneira biológica de fabricar pontos quânticos. Seu método de uma etapa começou com células bacterianas projetadas de uma forma simples, solução aquosa e terminou com nanopartículas semicondutoras funcionais, tudo sem recorrer a altas temperaturas e produtos químicos tóxicos. O método foi apresentado em um artigo do New York Times:"Como uma bactéria misteriosa quase lhe deu uma TV melhor."

“Outros grupos experimentaram a biomineralização para síntese química de nanomateriais, "diz Spangler, o autor principal e atualmente um pós-doutorado na Universidade de Princeton. "O desafio tem sido conseguir controlar as propriedades dos materiais, como tamanho de partícula e cristalinidade, para que o material resultante possa ser usado em aplicações de energia."

McIntosh descreve como Spangler foi capaz de ajustar o processo de biomineralização estabelecido do grupo não apenas para sintetizar as nanopartículas de sulfeto de cádmio, mas também para reduzir o óxido de grafeno à forma de óxido de grafeno mais condutora e reduzida.

"Ela foi então capaz de ligar os dois componentes para criar um fotocatalisador mais eficiente que consiste nas nanopartículas suportadas no óxido de grafeno reduzido, "diz McIntosh." Assim, seu trabalho árduo e a descoberta resultante permitiram que ambos os componentes críticos para o fotocatalisador fossem sintetizados de maneira ecológica ".

O trabalho da equipe demonstra a utilidade da biomineralização para realizar a síntese benigna de materiais funcionais para uso no setor de energia.

"A indústria pode considerar a implementação de tais novas rotas de síntese em escala, "acrescenta Kiely." Outros cientistas também podem ser capazes de utilizar os conceitos deste trabalho para criar outros materiais de importância tecnológica crítica. "

McIntosh enfatiza o potencial deste novo método promissor como "uma rota verde, para uma fonte de energia verde, usando recursos abundantes. "

"É fundamental reconhecer que qualquer solução prática para tornar nosso setor de energia mais verde terá que ser implementada em enorme escala para ter um impacto substancial, " ele adiciona.