Clique na imagem para baixar uma versão em alta resolução. Javier Concepcion e Lei Wang, químico do laboratório Rookhaven, e Lei Wang, um estudante de pós-graduação na Stony Brook University, desenvolveu um esquema para a montagem de moléculas de absorção de luz e catalisadores de separação de água em um eletrodo revestido com nanopartículas. O resultado:produção de combustível de gás hidrogênio por meio de fotossíntese artificial e uma plataforma para testar diferentes combos para melhorar ainda mais a eficiência. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
Cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven, do Departamento de Energia dos EUA, dobraram a eficiência de uma combinação química que captura luz e divide as moléculas de água para que os blocos de construção possam ser usados para produzir hidrogênio combustível. Seu estudo, selecionado como uma "Escolha dos Editores" da American Chemical Society que será destaque na capa do Journal of Physical Chemistry C , fornece uma plataforma para o desenvolvimento de melhorias revolucionárias na chamada fotossíntese artificial - uma imitação baseada em laboratório do processo natural que visa gerar energia limpa a partir da luz solar.
Na fotossíntese natural, as plantas verdes usam a luz do sol para transformar a água (H 2 O) e dióxido de carbono (CO 2 ) em carboidratos, como açúcar e amidos. A energia da luz solar é armazenada nas ligações químicas que mantêm essas moléculas unidas.
Muitas estratégias de fotossíntese artificial começam procurando maneiras de usar a luz para dividir a água em seus constituintes, hidrogênio e oxigênio, então o hidrogênio pode mais tarde ser combinado com outros elementos - idealmente o carbono do dióxido de carbono - para fazer combustíveis. Mas mesmo fazendo com que os átomos de hidrogênio se recombinem como gás hidrogênio puro (H 2 ) é um passo em direção à geração de combustível limpo movido a energia solar.
Para conseguir a divisão da água, os cientistas têm explorado uma ampla gama de moléculas que absorvem luz (também chamadas de cromóforos, ou corantes) emparelhados com catalisadores químicos que podem separar as ligações muito fortes de hidrogênio-oxigênio da água. A nova abordagem usa "amarras" moleculares - cadeias de carbono simples que têm alta afinidade umas com as outras - para anexar o cromóforo ao catalisador. As amarras mantêm as partículas próximas o suficiente para transferir elétrons do catalisador para o cromóforo - uma etapa essencial para ativar o catalisador - mas os mantém distantes o suficiente para que os elétrons não voltem para o catalisador.
"Os elétrons se movem rápido, mas as reações químicas são muito mais lentas. Então, para dar ao sistema tempo para que a reação de divisão da água ocorra sem que os elétrons voltem para o catalisador, você tem que separar essas cobranças, "explicou o químico Javier Concepcion do Brookhaven Lab, quem liderou o projeto.
Na configuração completa, os cromóforos (presos ao catalisador) são incorporados em uma camada de nanopartículas em um eletrodo. Cada nanopartícula é feita de um núcleo de dióxido de estanho (SnO2) rodeado por um dióxido de titânio (TiO 2 ) Concha. Esses diferentes componentes fornecem eficiência, transporte gradual de elétrons para continuar puxando as partículas carregadas negativamente para longe do catalisador e enviando-as para onde são necessárias para produzir combustível.
É assim que funciona do início ao fim:a luz atinge o cromóforo e dá a um elétron um choque suficiente para enviá-lo do cromóforo para a superfície da nanopartícula. De lá, o elétron se move para o núcleo da nanopartícula, e então fora do eletrodo através de um fio. Enquanto isso, o cromóforo, tendo perdido um elétron, puxa um elétron do catalisador. Enquanto houver luz, este processo se repete, enviar elétrons que fluem do catalisador para o cromóforo, da nanopartícula para o fio.
Cada vez que o catalisador perde quatro elétrons, ele é ativado com uma carga positiva grande o suficiente para roubar quatro elétrons de duas moléculas de água. Isso separa o hidrogênio e o oxigênio. O oxigênio borbulha como um gás (na fotossíntese natural, é assim que as plantas produzem o oxigênio que respiramos!), enquanto os átomos de hidrogênio (agora íons porque têm carga positiva) se difundem através de uma membrana para outro eletrodo. Lá, eles se recombinam com os elétrons transportados pelo fio para produzir gás hidrogênio - combustível!
Com base na experiência
A equipe de Brookhaven havia tentado uma versão anterior dessa configuração de cromóforo-catalisador, em que o corante que absorve a luz e as partículas do catalisador foram conectados muito mais estreitamente com ligações químicas diretas em vez de amarras.
"Isso foi muito difícil de fazer, realizando muitas etapas de síntese e purificação, e levou vários meses para fazer as moléculas, "Concepcion disse." E o desempenho não foi tão bom no final. "
Em contraste, anexar as amarras da cadeia de carbono a ambas as moléculas permite que elas se auto-montem.
"Basta mergulhar o eletrodo revestido com os cromóforos em uma solução em que o catalisador está suspenso e as amarras dos dois tipos de moléculas se encontram e se ligam, "disse o estudante de pós-graduação da Stony Brook University Lei Wang, co-autor do artigo atual e autor principal de artigo publicado no início deste ano que descreveu a estratégia de automontagem.
O novo documento inclui dados que mostram que o sistema com conexões tethered é consideravelmente mais estável do que os componentes diretamente conectados, e gerou duas vezes a quantidade de corrente - o número de elétrons fluindo através do sistema.
"Quanto mais elétrons você gera com a luz que entra, quanto mais você tem disponível para gerar combustível de hidrogênio, "Concepcion disse.
Os cientistas também mediram a quantidade de oxigênio produzida.
"Descobrimos que este sistema, usando luz visível, é capaz de alcançar eficiências notáveis para divisão de água por luz, "Concepcion disse.
Mas ainda há espaço para melhorias, ele notou. "O que fizemos até agora funciona para produzir hidrogênio. Mas gostaríamos de passar a fazer combustíveis de hidrocarbonetos de maior valor." Agora que eles têm um sistema onde podem facilmente trocar componentes e experimentar outras variáveis, eles são definidos para explorar as possibilidades.
"Um dos aspectos mais importantes desta configuração não é apenas o desempenho, mas a facilidade de montagem, "Concepcion disse.
"Como essas combinações de cromóforos e catalisadores são tão fáceis de fazer, e as amarras nos dão muito controle sobre a distância entre eles, agora podemos estudar, por exemplo, qual é a distância ideal. E podemos fazer experimentos combinando diferentes cromóforos e catalisadores sem ter que fazer muitas sínteses complexas para encontrar as melhores combinações, "disse ele." A versatilidade desta abordagem nos permitirá fazer estudos fundamentais que não teriam sido possíveis sem este sistema. "
