A busca por abordagens sustentáveis ​​para gerar novos combustíveis trouxe os cientistas de volta a um dos materiais mais abundantes na Terra - óxido de ferro avermelhado na forma de hematita, também conhecido como ferrugem.

Os pesquisadores dizem que a ferrugem tem sido vista como um material potencialmente atraente para a divisão solar da água, um processo chave que as plantas empregam na fotossíntese. As plantas usam uma enzima chamada fotossistema II (PSII) para absorver a luz e dividir a água, extração de elétrons e prótons das moléculas de água e geração do oxigênio atmosférico que sustenta a vida na Terra.

A ferrugem pode oferecer uma maneira de imitar o aspecto de divisão da água solar da fotossíntese, permitindo que o combustível seja gerado a partir da água, seja combinando prótons e elétrons para geração de hidrogênio, ou usando os elétrons e prótons para converter dióxido de carbono em combustíveis de hidrocarbonetos. O problema, cientistas dizem, é que o desempenho da ferrugem em vários experimentos de divisão de água tem sido decepcionante em comparação com seu potencial teórico. Eles dizem que falta uma compreensão fundamental do mecanismo de reação, impedindo o desenvolvimento de dispositivos para separação solar direta da água.

Um novo estudo de Victor Batista na Universidade de Yale em colaboração com James Durrant do Imperial College, Londres, e Michael Grätzel do Institut des Sciences et Ingénierie Chimiques, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne, Suíça, oferece algumas respostas.

O estudo lança luz sobre o mecanismo de oxidação da água que ocorre na interface óxido de metal / água. Um estudo computacional e experimental combinado sobre o mecanismo de oxidação da água descobriu que, se você alterar a intensidade da luz, você também muda o mecanismo de divisão da água na hematita. Os pesquisadores dizem que isso fornece dicas valiosas sobre a natureza dos locais responsáveis ​​pela reatividade na superfície do óxido.

Trabalho computacional realizado pelo co-autor do estudo Ke Yang, pesquisador de pós-doutorado no grupo Batista, identificou sítios catalíticos isolados - sob baixa intensidade de luz e um de dois átomos, Núcleo catalítico Fe (OH) -O-Fe (OH) - que constrói poder de oxidação suficiente para extrair elétrons da água, acumulando até três equivalentes oxidantes (elétrons ausentes) sob condições de operação de 1 sol (a intensidade total da luz solar em um claro, dia iluminado). Este mecanismo imita a ativação do PSII durante a fotossíntese, disseram os pesquisadores.

O estudo aparece na revista Química da Natureza .

"A integração do trabalho computacional e experimental foi essencial para elucidar a natureza dos sítios catalíticos em superfícies de óxido metálico bastante complicadas e a dependência do mecanismo de reação em condições de baixa e alta intensidade de luz, "disse Batista.

Em 2018, Batista foi coautor de um estudo separado que descreveu semelhantes, catalisadores de dois átomos. Os pesquisadores disseram que a descoberta, junto com o novo estudo, sugere que núcleos catalíticos de dois átomos apresentando dois centros de metal adjacentes podem ser particularmente adequados para obter uma divisão de água eficiente.

"Fazer oxigênio da água requer oxidações múltiplas, "Durrant disse." Experimentalmente, a chave do nosso estudo tem sido o uso da espectroscopia de absorção óptica para medir como a cinética da oxidação da água muda à medida que acumulamos mais buracos na superfície da hematita. Isso nos permitiu determinar leis de taxa e constantes de taxa para a reação; por exemplo, determinar quantos furos devem se reunir para acessar a etapa de limitação de taxa da reação, e determinar a energia de ativação para a reação. "