Garantir energia suficiente para atender às necessidades humanas é um dos maiores desafios que a sociedade já enfrentou. Fontes anteriormente confiáveis ​​- petróleo, gás e carvão - estão degradando a qualidade do ar, devastando terras e oceanos e alterando o frágil equilíbrio do clima global, através da liberação de CO2 e outros gases de efeito estufa. Enquanto isso, a população em rápida industrialização da Terra deve chegar a 10 bilhões até 2050. Alternativas limpas são uma questão de necessidade urgente.

Pesquisadores do Centro de Biodesign da ASU para descoberta estrutural aplicada estão explorando novas tecnologias que podem abrir caminho para a limpeza, energia sustentável para ajudar a atender à demanda global assustadora.

Em uma nova pesquisa que aparece no Jornal da American Chemical Society ( JACS ), o jornal principal da ACS, o autor principal Brian Wadsworth, junto com colegas Anna Beiler, Diana Khusnutdinova, Edgar Reyes Cruz, e o autor correspondente Gary Moore descreve tecnologias que combinam semicondutores coletores de luz e materiais catalíticos capazes de reações químicas que produzem combustível limpo.

O novo estudo explora a interação sutil dos componentes primários de tais dispositivos e descreve uma estrutura teórica para a compreensão das reações de formação de combustível subjacentes. Os resultados sugerem estratégias para melhorar a eficiência e o desempenho de tais tecnologias híbridas, trazendo-os um passo mais perto da viabilidade comercial.

A produção de hidrogênio e formas reduzidas de carbono por essas tecnologias podem um dia suplantar as fontes de combustível fóssil para uma ampla gama de commodities de carbono reduzido, incluindo combustíveis, plásticos e materiais de construção.

"Neste trabalho específico, desenvolvemos sistemas que integram tecnologias de captura e conversão de luz com estratégias de armazenamento de energia com base química, "diz Moore, que é professor assistente na Escola de Ciências Moleculares da ASU. Em vez de geração direta de eletricidade a partir da luz solar, esta nova geração de tecnologia usa energia solar para impulsionar reações químicas capazes de produzir combustíveis, que armazenam a energia do sol em ligações químicas. "É aí que a catálise se torna extremamente importante. É a química de controlar a seletividade das reações e os requisitos gerais de energia para impulsionar essas transformações, "Moore diz.

Algo novo sob o sol

Uma das fontes mais atraentes de sustentabilidade, a produção de energia neutra em carbono é antiga e abundante:a luz solar. De fato, a adoção de tecnologias de energia solar ganhou um impulso significativo nos últimos anos.

Dispositivos fotovoltaicos (PV), ou células solares, reúna a luz solar e transforme a energia diretamente em eletricidade. Materiais aprimorados e custos mais baixos tornaram a energia fotovoltaica uma opção de energia atraente, particularmente em estados ensolarados como o Arizona, com grandes painéis solares cobrindo vários acres, capazes de abastecer milhares de residências.

“Mas apenas ter acesso à energia solar usando energia fotovoltaica não é suficiente, "Moore observa. Muitas fontes renováveis ​​como a luz solar e a energia eólica nem sempre estão disponíveis, portanto, o armazenamento de fontes intermitentes é uma parte fundamental de qualquer tecnologia futura para atender às demandas globais de energia humana em grande escala.

Como Moore explica, pegar emprestada uma página do manual da Natureza pode ajudar os pesquisadores a aproveitar a energia radiante do sol para gerar combustíveis sustentáveis. "Uma coisa é clara, "Moore diz." É provável que continuemos usando combustíveis como parte de nossa infraestrutura de energia em um futuro próximo, especialmente para aplicações envolvendo transporte terrestre e aéreo. É aí que a parte bioinspirada de nossa pesquisa se torna particularmente relevante - olhando para a Natureza em busca de dicas de como podemos desenvolver novas tecnologias para a produção de combustíveis livres de carbono ou neutros. "

Dom solar

Um dos truques mais impressionantes da natureza envolve o uso da luz solar para produzir produtos químicos ricos em energia, um processo dominado há bilhões de anos por plantas e outros organismos fotossintéticos. "Nesse processo, a luz é absorvida, e a energia é usada para conduzir uma série de complexas transformações bioquímicas que, em última análise, produzem os alimentos que comemos e, em longas escalas de tempo geológicas, os combustíveis que dirigem nossa sociedade moderna, "Moore diz.

No estudo atual, o grupo analisou as principais variáveis ​​que governam a eficiência das reações químicas usadas para produzir combustível por meio de vários dispositivos artificiais. "Nesse artigo, desenvolvemos um modelo cinético para descrever a interação entre a absorção de luz na superfície do semicondutor, migração de carga dentro do semicondutor, transferência de carga para nossa camada de catalisador e, em seguida, a etapa de catálise química, "disse Wadsworth.

O modelo que o grupo desenvolveu é baseado em uma estrutura semelhante que rege o comportamento das enzimas, conhecido como cinética de Michaelis-Menten, que descreve a relação entre as taxas de reação enzimática e o meio em que a reação ocorre (ou substrato). Aqui, este modelo é aplicado a dispositivos tecnológicos que combinam semicondutores coletores de luz e materiais catalíticos para a formação de combustível.

"Descrevemos as atividades de formação de combustível desses materiais híbridos em função da intensidade da luz e também do potencial, "Wadsworth diz. (Modelos cinéticos semelhantes do tipo Michaelis-Menten provaram ser úteis na análise de fenômenos como a ligação antígeno-anticorpo, Hibridização DNA-DNA, e interação proteína-proteína.)

Na modelagem da dinâmica do sistema, o grupo fez uma descoberta surpreendente. "Neste sistema específico, não estamos limitados pela rapidez com que o catalisador pode conduzir a reação química, "Moore diz." Estamos limitados pela capacidade de entregar elétrons a esse catalisador e ativá-lo. Isso está relacionado à intensidade da luz que atinge a superfície. Brian, Anna, Diana, e Edgar mostraram em seus experimentos que aumentar a intensidade da luz aumenta a taxa de formação de combustível. "

A descoberta tem implicações para o design futuro de tais dispositivos com o objetivo de maximizar sua eficiência. "Simplesmente adicionar mais catalisador à superfície do material híbrido não resulta em maiores taxas de produção de combustível. Precisamos considerar as propriedades de absorção de luz do semicondutor subjacente, o que, por sua vez, nos obriga a pensar mais sobre a seleção do catalisador e como o catalisador faz interface com o componente de absorção de luz. "

raio de esperança

Ainda há muito trabalho a ser feito antes que essas soluções de energia solar para combustíveis estejam prontas para o horário nobre. Tornar tecnologias como essas práticas para as demandas humanas requer eficiência, acessibilidade e estabilidade. "Os conjuntos biológicos têm a capacidade de se auto-reparar e reproduzir; os conjuntos tecnológicos têm sido limitados nesse aspecto. É uma área onde podemos aprender mais com a biologia, "Moore diz.

A tarefa dificilmente poderia ser mais urgente. A demanda global por energia está projetada para aumentar de cerca de 17 terawatts hoje para incríveis 30 terawatts em meados do século. Além de obstáculos científicos e tecnológicos significativos, Moore enfatiza que mudanças profundas nas políticas também serão essenciais. "Há uma questão real de como vamos atender às nossas futuras demandas de energia. Se vamos fazer isso de maneira ambientalmente consciente e igualitária, vai exigir um compromisso político sério. "

A nova pesquisa é um passo no longo caminho para um futuro sustentável. O grupo observa que suas descobertas são importantes porque provavelmente são relevantes para uma ampla gama de transformações químicas envolvendo materiais que absorvem luz e catalisadores. "Os princípios-chave, particularly the interplay between illumination intensity, light absorption and catalysis should apply to other materials as well, " Moore says.