Uma nova abordagem de fotossíntese artificial usa a luz solar para transformar dióxido de carbono em metano, o que poderia ajudar a tornar os dispositivos movidos a gás natural neutros em carbono.

O metano é o principal componente do gás natural. Fotossíntese é o processo pelo qual as plantas verdes usam a luz do sol para fazer comida para si mesmas com dióxido de carbono e água, liberando oxigênio como um subproduto. A fotossíntese artificial muitas vezes visa produzir combustíveis de hidrocarbonetos, semelhante ao gás natural ou gasolina, a partir dos mesmos materiais de partida.

O método de geração de metano é possibilitado por um novo catalisador desenvolvido por meio de uma colaboração entre a Universidade de Michigan, McGill University e McMaster University. Um artigo sobre as descobertas foi publicado em Proceedings of the National Academy of Sciences .

O catalisador movido a energia solar é feito de materiais abundantes e funciona em uma configuração que pode ser produzida em massa. Os pesquisadores acham que poderia estar reciclando o dióxido de carbono da chaminé em combustível de queima limpa dentro de 5 a 10 anos.

"Trinta por cento da energia nos EUA vem do gás natural, "disse Zetian Mi, Professor U-M de engenharia elétrica e ciência da computação, que co-liderou o trabalho com Jun Song, professor de engenharia de materiais na McGill University. “Se pudermos gerar metano verde, É um grande negócio."

O principal avanço é que a equipe aproveitou correntes elétricas relativamente grandes com um dispositivo que deveria ser possível de produção em massa. Também é especialmente bom em canalizar essa eletricidade para a formação de metano, com metade dos elétrons disponíveis indo para reações produtoras de metano, em vez de subprodutos como hidrogênio ou monóxido de carbono.

"Dispositivos de fotossíntese artificial anteriores geralmente operam em uma pequena fração da densidade de corrente máxima de um dispositivo de silício, enquanto aqui operamos com 80 ou 90 por cento do máximo teórico usando materiais prontos para a indústria e catalisadores abundantes em terra, "disse Baowen Zhou, um pesquisador de pós-doutorado no grupo de Mi que está trabalhando neste projeto.

Transformar dióxido de carbono em metano é um processo muito difícil. O carbono deve ser colhido do CO ₂ , o que requer muita energia porque o dióxido de carbono é uma das moléculas mais estáveis. Da mesma forma, H2O deve ser decomposto para ligar o hidrogênio ao carbono. Cada carbono precisa de quatro átomos de hidrogênio para se tornar metano, fazendo uma complicada dança de oito elétrons (cada ligação carbono-hidrogênio tem dois elétrons, e há quatro ligações).

O projeto do catalisador é fundamental para o sucesso da reação.

"A questão de um milhão de dólares é como navegar rapidamente pelo enorme espaço de materiais para identificar a receita ideal, "Song disse.

O trabalho teórico e computacional de sua equipe identificou o principal componente do catalisador:nanopartículas de cobre e ferro. O cobre e o ferro prendem-se às moléculas por seus átomos de carbono e oxigênio, ganhar tempo para que o hidrogênio salte dos fragmentos da molécula de água para o átomo de carbono.

O dispositivo é uma espécie de painel solar cravejado de nanopartículas de cobre e ferro. Ele pode usar a energia do sol ou uma corrente elétrica para quebrar o dióxido de carbono e a água.

A camada de base é uma pastilha de silício, não muito diferente daqueles já existentes em painéis solares. Esse wafer é coberto com nanofios, cada 300 nanômetros (0,0003 milímetros) de altura e cerca de 30 nanômetros de largura, feito de nitreto de gálio semicondutor.

O arranjo cria uma grande área de superfície sobre a qual as reações podem ocorrer. Os nanofios salpicados de nanopartículas são cobertos por uma fina película de água.

O dispositivo pode ser projetado para funcionar somente com energia solar, ou a produção de metano pode ser aumentada com um suplemento de eletricidade. Alternativamente, funcionando com eletricidade, o dispositivo pode operar potencialmente no escuro.

Na prática, o painel de fotossíntese artificial precisaria ser conectado a uma fonte de dióxido de carbono concentrado, por exemplo, dióxido de carbono capturado de chaminés industriais. O dispositivo também pode ser configurado para produzir gás natural sintético (syngas) ou ácido fórmico, um conservante comum na alimentação animal.