p Atualmente, a maior parte da energia consumida pela população mundial é derivada do petróleo e de outros recursos não renováveis ​​que correm o risco de se esgotar em um futuro próximo. Consequentemente, o desenvolvimento de métodos de fotossíntese artificial usando fotocatalisadores para produzir energia química (combustível hidrogênio) a partir da luz solar e da água tem recebido muita atenção e vários projetos de pesquisa estão sendo conduzidos nesta área. p Durante a fotossíntese artificial, oxigênio (O ₂ ) é produzido pelo fotocatalisador por meio da reação de divisão da água. Trabalhando com pesquisadores da Kanazawa University, Shinshu University e The University of Tokyo, Professor Onishi Hiroshi et al. da Escola de Ciências da Universidade de Kobe desenvolveu um método de avaliação de medição que é capaz de detectar O ₂ 1000 vezes mais rápido que os métodos convencionais. Espera-se que o método desenvolvido por meio desta pesquisa possa ser utilizado para melhorar nossa compreensão dos mecanismos de reação por trás da fotossíntese artificial e contribuir para o desenvolvimento de fotocatalisadores que possam ser implementados no mundo real.

p A importância de tornar públicos esses resultados de pesquisa o mais rápido possível foi reconhecida; o artigo publicado no jornal da American Chemistry Society Catálise ACS recebeu um lançamento online avançado em 29 de outubro, 2020.

p Antecedentes de Pesquisa

p Fotossíntese artificial, que pode ser utilizado para produzir energia química (combustível de hidrogênio) a partir da luz solar e da água tem recebido muita atenção por seu potencial de fornecer uma fonte de energia que não emite CO ₂ . Os fotocatalisadores são o componente chave da fotossíntese artificial. O primeiro material fotocatalisador foi descoberto e desenvolvido por pesquisadores japoneses na década de 1970, e cientistas de todo o mundo têm se esforçado continuamente para melhorar sua eficiência nos últimos 50 anos.

p O atual estudo de pesquisa usou um titanato de estrôncio (SrTiO ₃ ) fotocatalisador, que foi originalmente desenvolvido pelo professor de contrato especial Domen Kazunari et al. da Shinshu University (um pesquisador contribuinte para este estudo). Como resultado de várias melhorias feitas pelo Professor Associado de Shinshu, HISATOMI Takashi et al. (também pesquisador colaborador), este material fotocatalítico atingiu o maior rendimento de reação (ou seja, a eficiência da conversão de hidrogênio da água por meio de iluminação por luz ultravioleta) do mundo. A última questão remanescente é melhorar a eficiência da geração de hidrogênio a partir da água e da luz solar, em vez de luz ultravioleta artificial. Superar esse problema significaria o nascimento do CO ₂ - tecnologia de produção de combustível de hidrogênio livre que pode ser utilizada pela sociedade.

p Contudo, um fator que atrapalha os esforços para melhorar a eficiência de conversão é a baixa taxa de oxigênio produzida a partir da água quando o hidrogênio também está sendo produzido. A fim de gerar hidrogênio (H2) a partir da água (H2O) por meio da fotossíntese artificial, a seguinte reação química deve ocorrer:2H ₂ O → 2H ₂ + O ₂ . Mesmo que o objetivo seja produzir hidrogênio (que pode ser utilizado como combustível pela sociedade) e não oxigênio, os princípios da química exigem que o oxigênio seja produzido da água ao mesmo tempo para que o hidrogênio seja produzido.

p Além disso, o processo de geração de oxigênio é mais complicado do que o processo de geração de hidrogênio, o que, conseqüentemente, torna difícil melhorar a eficiência da reação (os átomos de oxigênio retirados de dois H ₂ As partículas O devem aderir umas às outras). Este é um gargalo que limita a conversão eficiente de hidrogênio da água usando a luz solar.

p Uma solução seria melhorar a eficiência da conversão de oxigênio da água, no entanto, isso não é uma questão simples. Não é bem compreendido como o oxigênio é gerado a partir da água (ou seja, o mecanismo por trás da reação), portanto, tentar melhorar essa reação é semelhante a trabalhar no escuro. Para esclarecer a situação, esta pesquisa teve como objetivo desenvolver um método de detecção em alta velocidade para observar o oxigênio gerado pela fotossíntese artificial para revelar o mecanismo por trás da reação da água ao oxigênio.

p Metodologia de Pesquisa

p Este estudo de pesquisa utilizou um método de análise química subaquática usando microeletrodo desenvolvido pelo professor da Universidade de Kanazawa, TAKAHASHI Yasufumi et al. (pesquisador contribuinte) como a tecnologia subjacente. O oxigênio gerado a partir do fotocatalisador de fotossíntese artificial foi detectado quando voltou a se fundir com a água. Conforme mostrado na Figura 1, o painel do fotocatalisador de estrôncio titanita foi submerso em água. O microeletrodo, que consistia em um fio de platina de 20 micrômetros (cerca de ¼ de um fio de cabelo humano) com as laterais revestidas de vidro, foi baixado na água a 100 micrômetros de distância da superfície do painel do fotocatalisador.

p Quando o painel fotocatalisador foi iluminado por luz ultravioleta (com comprimento de onda de 280 nm) de um diodo emissor de luz, oxigênio (O ₂ ) e hidrogênio (H ₂ ) foram dissociados da água onde entrou em contato com o painel. Essas moléculas de oxigênio e hidrogênio foram posteriormente liberadas na água. O oxigênio liberado foi espalhado pela água e atingiu o microeletrodo. O oxigênio que atingiu o microeletrodo recebeu quatro elétrons (e-) do eletrodo resultando na seguinte transformação:O ₂ + 2H ₂ O + 4e ^- → 4OH ^- .

p O número de elétrons recebidos do eletrodo pelo oxigênio pode ser determinado medindo a corrente elétrica que passa pelo eletrodo. Medir a corrente elétrica que passou pelo eletrodo a cada 0,1 segundos permitiu aos pesquisadores calcular a quantidade de oxigênio que atingiu o eletrodo a cada 0,1 segundos. Detecção cromatográfica a gás, o aparato analítico usado para detecção de oxigênio até agora, só pode medir a quantidade de oxigênio a cada três minutos. Este estudo conseguiu desenvolver um método de detecção 1000 vezes mais rápido.

p Calcular o tempo necessário para o oxigênio percorrer a distância de 100 micrômetros através da água do painel do fotocatalisador até o eletrodo não é difícil. Isso pode ser conseguido através da realização de simulações numéricas em um computador desktop, baseado nas leis de difusão de Fick. A comparação dos resultados da medição obtidos do microeletrodo com os da simulação revelou que havia um atraso de um a dois segundos entre o painel do fotocatalisador sendo iluminado por luz ultravioleta e o oxigênio sendo liberado na água. Esse atraso é um fenômeno novo que não pode ser observado por meio da detecção por cromatografia a gás.

p Acredita-se que esse atraso seja um estágio preparatório necessário para que o fotocatalisador iluminado comece a separação da água. Pesquisas futuras buscarão verificar esta hipótese, além de investigar o que o fotocatalisador está fazendo durante a fase preparatória. No entanto, espera-se que o método de detecção de oxigênio desenvolvido neste estudo, que é 1000 vezes mais rápido do que os métodos de detecção anteriores, levará a novos desenvolvimentos na fotossíntese artificial.

p Professor Onishi Hiroshi, Escola de Pós-Graduação em Ciências, Kobe University, diz, "Eu sou um especialista em físico-química, e a ideia de detectar o oxigênio gerado por meio da fotossíntese artificial usando um microeletrodo surgiu em 2015. Na Universidade de Kobe, configuramos o aparelho de medição desenvolvido pelo Professor Takahashi et al., que são especialistas em análise química usando microeletrodos, e começou a aplicá-lo em fotocatalisadores.

p “Ao aprimorar o aparelho e acumular know-how quanto ao seu funcionamento, verificamos que este método é capaz de medir o oxigênio gerado a partir do painel fotocatalisador fornecido pelo Professor Domen e Professor Associado Hisatomi et al., que são autoridades em pesquisa de fotocatalisadores.

p "Além disso, três alunos de pós-graduação da Escola de Ciências da Universidade de Kobe estiveram na vanguarda desta pesquisa durante o período de cinco anos, desde o desenvolvimento do programa de computador para a simulação numérica até a descoberta do 'atraso na liberação de oxigênio'.

p “As três equipes trouxeram as características distintas de seus respectivos campos da físico-química, química analítica e química catalisadora para o desenvolvimento desta pesquisa. Por meio dessa colaboração, conseguimos contribuir com uma nova perspectiva para a ciência da fotossíntese artificial. "