p O crescimento econômico global vem com o aumento da demanda por energia, mas aumentar a produção de energia pode ser um desafio. Recentemente, cientistas alcançaram eficiência recorde para conversão de energia solar em combustível, e agora eles querem incorporar a maquinaria da fotossíntese para empurrá-la ainda mais. Os pesquisadores apresentarão seus resultados hoje no Encontro e Expo Virtual Outono 2020 da American Chemical Society (ACS). p “Queremos fabricar um sistema fotocatalítico que use a luz solar para gerar reações químicas de importância ambiental, "diz Lilac Amirav, Ph.D., investigador principal do projeto.

p Especificamente, seu grupo no Instituto de Tecnologia de Israel está projetando um fotocatalisador que pode decompor a água em combustível de hidrogênio. "Quando colocamos nossas nanopartículas em forma de bastão na água e iluminamos elas, eles geram cargas elétricas positivas e negativas, "Amirav diz." As moléculas de água se quebram; as cargas negativas produzem hidrogênio (redução), e as cargas positivas produzem oxigênio (oxidação). As duas reações, envolvendo as cargas positivas e negativas, deve ocorrer simultaneamente. Sem tirar proveito das cargas positivas, as cargas negativas não podem ser direcionadas para produzir o hidrogênio desejado. "

p Se as cargas positivas e negativas, que são atraídos um pelo outro, conseguem se recombinar, eles se cancelam, e a energia é perdida. Então, para se certificar de que as cargas estão suficientemente distantes, a equipe construiu heteroestruturas únicas compostas por uma combinação de diferentes semicondutores, juntamente com catalisadores de metal e óxido de metal. Usando um sistema modelo, eles estudaram as reações de redução e oxidação separadamente e alteraram a heteroestrutura para otimizar a produção de combustível.

p Em 2016, a equipe projetou uma heteroestrutura com um ponto quântico esférico de seleneto de cádmio embutido em um pedaço de sulfeto de cádmio em forma de bastonete. Uma partícula metálica de platina foi localizada na ponta. A partícula de seleneto de cádmio atraiu cargas positivas, enquanto cargas negativas se acumularam na ponta. "Ajustando o tamanho do ponto quântico e o comprimento da haste, bem como outros parâmetros, alcançamos 100% de conversão de luz solar em hidrogênio a partir da redução de água, "Amirav diz. Uma única nanopartícula de fotocatalisador pode produzir 360, 000 moléculas de hidrogênio por hora, ela observa.

p O grupo publicou seus resultados na revista ACS Nano Letras . Mas nesses experimentos, eles estudaram apenas metade da reação (a redução). Para o funcionamento adequado, o sistema fotocatalítico deve suportar as reações de redução e oxidação. "Não estávamos convertendo energia solar em combustível ainda, "Amirav diz." Ainda precisávamos de uma reação de oxidação que fornecesse continuamente elétrons ao ponto quântico. "A reação de oxidação da água ocorre em um processo de várias etapas, e, como resultado, continua a ser um desafio significativo. Além disso, seus subprodutos parecem comprometer a estabilidade do semicondutor.

p Junto com os colaboradores, o grupo explorou uma nova abordagem - procurando por diferentes compostos que pudessem ser oxidados no lugar da água - que os levou à benzilamina. Os pesquisadores descobriram que poderiam produzir hidrogênio a partir da água, enquanto, simultaneamente, transforma a benzilamina em benzaldeído. "Com esta pesquisa, transformamos o processo de fotocatálise para fotossíntese, isso é, conversão genuína de energia solar em combustível, "Diz Amirav. O sistema fotocatalítico realiza a verdadeira conversão da energia solar em ligações químicas armazenáveis, com um máximo de 4,2% de eficiência de conversão de energia solar em química. “Este número estabelece um novo recorde mundial no campo da fotocatálise, e dobra o recorde anterior, "ela observa." O Departamento de Energia dos EUA definiu 5-10% como o 'limite de viabilidade prática' para gerar hidrogênio por fotocatálise. Portanto, estamos na porta de uma conversão economicamente viável de energia solar em hidrogênio. "

p Esses resultados impressionantes motivaram os pesquisadores a ver se existem outros compostos com altas conversões solar em química. Para fazer isso, a equipe está usando inteligência artificial. Por meio de uma colaboração, os pesquisadores estão desenvolvendo um algoritmo para pesquisar estruturas químicas em busca de um composto ideal para a produção de combustível. Além disso, eles estão investigando maneiras de melhorar seu fotossistema, e uma forma pode ser inspirar-se na natureza. Um complexo de proteínas em membranas celulares de plantas que compreende os circuitos elétricos da fotossíntese foi combinado com sucesso com nanopartículas. Amirav diz que este sistema artificial até agora provou ser frutífero, suportando a oxidação da água ao mesmo tempo que fornece fotocorrente 100 vezes maior do que a produzida por outros sistemas semelhantes.