p A cada dia que passa, o lado negro de nosso vício em combustíveis fósseis se torna mais aparente. Além de reduzir as emissões de dióxido de carbono, a sociedade deve encontrar alternativas sustentáveis ​​para alimentar o mundo moderno. p Em um novo estudo, Gary Moore e seu grupo de pesquisa exploram diferentes abordagens para a catálise, um processo químico que desempenha um papel essencial nas reações biológicas, bem como muitas aplicações industriais.

p Catalisadores são substâncias que aceleram as taxas de reações químicas, sem ser consumido durante o processo de reação. Os catalisadores de enzimas são tão importantes na natureza que a vida seria impossível sem eles, já que as condições dentro das células vivas não conduzem a muitos processos químicos vitais. As reações químicas que, de outra forma, levariam horas ou mesmo dias para ocorrer, podem ocorrer em menos de um segundo com a ajuda de catalisadores enzimáticos.

p Catalisadores químicos têm sido usados ​​em uma variedade de aplicações humanas, variando de desenvolvimento farmacêutico a plásticos biodegradáveis ​​e fertilizantes ambientalmente seguros. Eles também podem promover o desenvolvimento de soluções de energia verde para enfrentar a crise climática, uma área que o grupo de Moore tem buscado ativamente.

p Moore é pesquisador do Biodesign Center for Applied Structural Discovery (CASD) e professor associado da Escola de Ciências Moleculares (SMS) da ASU. Ele é acompanhado por Daiki Nishiori, um estudante de pós-graduação em SMS e principal autor do novo estudo, assim como Brian Wadsworth, um ex-aluno de graduação em SMS que agora trabalha na Intel Corporation.

p Os resultados do estudo aparecem na edição atual da revista. Chem Catalysis.

p Catalisadores de perto

p O novo estudo baseia-se em investigações sobre o comportamento dos catalisadores por Moore e seus colegas da ASU, bem como outros pesquisadores da área. O artigo de perspectiva atual descreve três formas de catálise - enzimática, eletrocatalítico e fotoeletrossintético - delineando o progresso até o momento e destacando alguns dos desafios restantes enfrentados pelos cientistas que buscam uma compreensão abrangente desses fenômenos importantes.

p Embora muito tenha sido aprendido com o estudo da catálise enzimática em organismos vivos, os pesquisadores esperam desenvolver alternativas sintéticas que possam melhorar os designs da natureza. "É um desafio imitar enzimas biológicas para catálise, "Nishiori diz." Enzimas biológicas têm complexo, estruturas tridimensionais de proteínas, "e operam em condições bastante diferentes do que a maioria dos catalisadores de engenharia humana.

p Em vez de, os pesquisadores esperam produzir uma nova gama de catalisadores sintéticos para conduzir reações químicas com alta eficiência. Os resultados bem-sucedidos podem melhorar muito a produção industrial de muitos produtos benéficos para a sociedade. Isso inclui novos tipos de combustíveis neutros ou sem carbono.

p "Cobrimos uma boa quantidade de espaço material neste artigo, incluindo catálise química tradicional por enzimas, bem como processos eletrocatalíticos mediados por complexos biológicos e / ou sintéticos, "Moore diz. O estudo então passa a descrever os sistemas híbridos que capturam a energia da luz radiante e a usam para conduzir as reações de transferência de carga. O paralelo óbvio na natureza é com os processos fotossintéticos realizados pelas plantas.

p Mas as tecnologias fotossintéticas artificiais não podem simplesmente replicar o projeto da natureza. Além de uma compreensão limitada das relações estrutura-função que regem seu desempenho, as plantas fotossintéticas convertem e armazenam apenas 1% da luz solar incidente recolhida por suas folhas na forma de ligações químicas. Em última análise, essas ligações constituem os alimentos que comemos, e em escalas de tempo geológicas mais longas, os combustíveis fósseis baseados em carbono dos quais nossas sociedades modernas dependem. Isso é tudo que uma planta saudável precisa para se desenvolver e se reproduzir, mas é insuficiente para aplicações em humanos.

p Pesquisa iluminadora

p Projetar novos dispositivos fotoeletrossintéticos envolve o uso de tecnologia de coleta de luz, semelhantes às células fotovoltaicas atuais, e acoplando-o a uma fina camada de material catalítico. Neste esquema, os portadores de carga são transferidos de uma superfície semicondutora para sítios catalíticos. Uma vez que um catalisador tenha acumulado portadores de carga suficientes, ele entra em um chamado estado ativado, permitindo que a catálise prossiga. O processo pode ser usado para produzir hidrogênio a partir da água ou para produzir formas reduzidas de CO ₂ incluindo metano, monóxido de carbono, combustíveis líquidos, e outros produtos industrialmente úteis.

p "No caso de uma célula solar mais tradicional, seu objetivo final é converter a luz do sol em energia elétrica. Os sistemas que estamos desenvolvendo usam energia solar para alimentar transformações químicas energeticamente difíceis, "Moore diz. Em vez de produzir eletricidade, a incidência da luz solar leva a reações químicas catalisadas, em última análise, gerando combustíveis.

p "Aqui, os combustíveis que estamos descrevendo não estão vinculados a fontes de carbono fóssil. Podemos desenvolver uma química que seja livre de carbono, incluindo a transformação de água em gás hidrogênio, que poderia servir como combustível, ou podemos usar CO ₂ da atmosfera para gerar combustíveis contendo carbono, "Moore diz." Neste último exemplo, embora os combustíveis resultantes sejam baseados em carbono, sem novas fontes de CO ₂ são liberados na atmosfera. ”O processo é uma forma de reciclagem do carbono.

p Moore se refere a tecnologias como fotoeletrossintética. Embora tenham uma promessa significativa para a produção de energia limpa e geração mais limpa de produtos industriais úteis, compreender a química em nível teórico e prático é desafiador. Os fótons de luz e portadores de carga usados ​​para iniciar a catálise são entidades quânticas, com propriedades particularmente sutis que os pesquisadores ainda lutam para modelar com precisão.

p A produção de tecnologias eficazes para enfrentar os desafios de energia do futuro exigirá uma compreensão matemática mais completa da dinâmica de coleta de luz, bem como dos processos catalíticos e do movimento de carga. O estudo atual fornece um passo provisório nessa direção.

p Ao lado desses avanços, pesquisadores em ciência dos materiais precisarão projetar materiais mais capazes de explorar esses processos, fabricado com materiais duráveis ​​e acessíveis.

p Novos caminhos pelo labirinto de energia

p Além dos obstáculos puramente científicos a serem resolvidos, Moore afirma que as mudanças nas políticas públicas serão fatores críticos para o sucesso das tecnologias de energia mais verdes. "É assustador competir com uma tecnologia existente que envolve simplesmente fazer um buraco no solo para extrair uma fonte de energia que já está lá, "Moore diz. Um público cientificamente educado, capaz de fazer escolhas de voto informadas que impactam como a sociedade investe em infraestrutura futura também será vital. “Queremos optar por fazer investimentos em tecnologias que minimizem o impacto das mudanças climáticas, ou continuamos fazendo uso de uma infraestrutura energética com componentes e processos com mais de cem anos? "

p Moore tem esperança de que os avanços em enzimas, tecnologias eletrocatalíticas e fotoeletrossintéticas desempenharão papéis importantes de uma forma mais sustentável, futuro de energia menos destrutiva.