p Por algumas estimativas, a quantidade de energia solar que atinge a superfície da Terra em um ano é maior do que a soma de toda a energia que poderíamos produzir usando recursos não renováveis. A tecnologia necessária para converter a luz solar em eletricidade desenvolveu-se rapidamente, mas as ineficiências no armazenamento e distribuição dessa energia permaneceram um problema significativo, tornando a energia solar impraticável em grande escala. Contudo, um avanço por pesquisadores da UVA's College e Graduate School of Arts &Sciences, o Instituto de Tecnologia da Califórnia e o Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA, O Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e o Laboratório Nacional de Brookhaven podem eliminar um obstáculo crítico do processo, uma descoberta que representa um passo gigantesco em direção a um futuro de energia limpa. p Uma maneira de aproveitar a energia solar é usando a eletricidade solar para dividir as moléculas de água em oxigênio e hidrogênio. O hidrogênio produzido pelo processo é armazenado como combustível, em uma forma que pode ser transferida de um lugar para outro e usada para gerar energia sob demanda. Para dividir as moléculas de água em suas partes componentes, um catalisador é necessário, mas os materiais catalíticos usados ​​atualmente no processo, também conhecida como reação de evolução de oxigênio, não são eficientes o suficiente para tornar o processo prático.

p Usando uma estratégia química inovadora desenvolvida na UVA, Contudo, uma equipe de pesquisadores liderada pelos professores de química Sen Zhang e T. Brent Gunnoe produziu uma nova forma de catalisador usando os elementos cobalto e titânio. A vantagem desses elementos é que eles são muito mais abundantes na natureza do que outros materiais catalíticos comumente usados ​​que contêm metais preciosos, como irídio ou rutênio.

p "O novo processo envolve a criação de sítios catalíticos ativos em nível atômico na superfície dos nanocristais de óxido de titânio, uma técnica que produz um material catalítico durável e que é melhor em desencadear a reação de evolução de oxigênio ". Zhang disse." Novas abordagens para catalisadores de reação de evolução de oxigênio eficientes e uma compreensão fundamental aprimorada deles são a chave para permitir uma possível transição para o uso em escala de energia solar renovável. Este trabalho é um exemplo perfeito de como otimizar a eficiência do catalisador para a tecnologia de energia limpa, ajustando nanomateriais em escala atômica. "

p De acordo com Gunnoe, "Esta inovação, centrado nas conquistas do laboratório Zhang, representa um novo método para melhorar e compreender materiais catalíticos com um esforço resultante que envolve a integração de síntese de materiais avançados, caracterização do nível atômico e teoria da mecânica quântica. "

p "Vários anos atrás, UVA juntou-se ao consórcio MAXNET Energy, composto por oito Institutos Max Planck (Alemanha), UVA e Cardiff University (Reino Unido), que reuniu esforços de colaboração internacionais focados na oxidação eletrocatalítica da água. MAXNET Energy foi a semente para os atuais esforços conjuntos entre o meu grupo e o laboratório Zhang, que tem sido e continua sendo uma colaboração frutífera e produtiva, "Gunnoe disse.

p Com a ajuda do Laboratório Nacional de Argonne e do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e suas instalações de última geração para espectroscopia de absorção de raios-X síncrotron, que usa radiação para examinar a estrutura da matéria em nível atômico, a equipe de pesquisa descobriu que o catalisador tem uma estrutura de superfície bem definida que permite ver claramente como o catalisador evolui no meio da reação de evolução do oxigênio e permite que avaliem com precisão seu desempenho.

p "O trabalho usou linhas de luz de raios-X da Advanced Photon Source e da Advanced Light Source, incluindo uma parte de um programa de 'acesso rápido' reservado para um ciclo de feedback rápido para explorar ideias científicas emergentes ou urgentes, "disse o físico de raios-X de Argonne Hua Zhou, um co-autor no artigo. "Estamos muito entusiasmados com o fato de que ambas as instalações de usuários científicos nacionais podem contribuir substancialmente para um trabalho tão inteligente e organizado na divisão da água que proporcionará um salto para as tecnologias de energia limpa."

p Tanto a Fonte Avançada de Fótons quanto a Fonte Avançada de Luz são Instalações do Usuário do Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA (DOE) localizadas no Laboratório Nacional de Argonne do DOE e no Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley, respectivamente.

p Adicionalmente, pesquisadores da Caltech, usando métodos de mecânica quântica recém-desenvolvidos foram capazes de prever com precisão a taxa de produção de oxigênio causada pelo catalisador, que forneceu à equipe uma compreensão detalhada do mecanismo químico da reação.

p "Temos desenvolvido novas técnicas de mecânica quântica para entender o mecanismo de reação da evolução do oxigênio por mais de cinco anos, mas em todos os estudos anteriores, não podíamos ter certeza da estrutura exata do catalisador. O catalisador de Zhang tem uma estrutura atômica bem definida, e descobrimos que nossos resultados teóricos são, essencialmente, em concordância exata com observáveis ​​experimentais, "disse William A. Goddard III, um professor de química, Ciência de materiais, e física aplicada na Caltech e um dos principais investigadores do projeto. "Isso fornece a primeira validação experimental forte de nossos novos métodos teóricos, que agora podemos usar para prever catalisadores ainda melhores que podem ser sintetizados e testados. Este é um marco importante em direção à energia limpa global. "

p "Este trabalho é um grande exemplo do esforço da equipe da UVA e de outros pesquisadores para trabalhar em direção à energia limpa e as empolgantes descobertas que vêm dessas colaborações interdisciplinares, "disse Jill Venton, presidente do Departamento de Química da UVA.