Alguns dos setores econômicos mais difíceis de descarbonizar se beneficiariam do surgimento de catalisadores substancialmente mais eficientes envolvidos em reações químicas de conversão de energia. Um avanço aqui pode depender do uso de pigmentos amplamente implantados em processos biológicos integrados como catalisadores em estruturas moleculares novas e altamente porosas que agem como esponjas.
Um artigo descrevendo a situação neste campo e os desafios que enfrenta foi publicado na revista Nano Research Energy em 29 de maio.

Nos últimos anos, porfirinas e metaloporfirinas têm desempenhado um papel cada vez mais importante na química biomimética, utilização de energia solar, medicina e muitas outras aplicações. Mas o uso de porfirinas em reações de eletrocatálise e fotocatálise, centrais para muitos processos de conversão de energia úteis para a transição limpa, mostrou-se instável, desativada e difícil de reciclar, o que limitou o desenvolvimento dessas tecnologias de conversão de energia.

Assim, os cientistas começaram a considerar a integração de porfirinas como ligantes orgânicos (o íon que se liga a um átomo de metal central em uma molécula complexa) em estruturas moleculares sintéticas conhecidas como estruturas metal-orgânicas (MOFs) e suas estruturas orgânicas covalentes gêmeas. (COFs)—conhecidos como materiais de estrutura à base de porfirina.

"Isso deve, em princípio, fornecer excelente desempenho de eletrocatálise e fotocatálise, pois as estruturas MOF e COF são simples de sintetizar e altamente projetadas, portanto, muito mais controláveis ​​e estruturalmente estáveis", disse Yusuke Yamauchi, co-autor do artigo e pesquisador da Universidade Australiana. Instituto de Bioengenharia e Nanotecnologia da Universidade de Queensland.

"Os pesquisadores, que estão envolvidos no desenvolvimento de materiais de estrutura baseados em porfirina, montaram um artigo de revisão descrevendo o estado do jogo em seu campo. Esses artigos de revisão são necessários para que campos jovens avancem, pois esclarecem o entendimento atual, discutem avanços e desafios , identifica lacunas de pesquisa e pode até oferecer diretrizes para políticas e dicas sobre as melhores práticas", Huan Pang, coautor do artigo e pesquisador da Escola de Química e Engenharia Química da Universidade de Yangzhou, China

O artigo explora todas as aplicações atuais e potenciais de catalisadores de material de estrutura à base de porfirina e descobre que ainda há um grande potencial, mas o campo enfrenta vários desafios.

Em uma economia de emissões líquidas zero de gases de efeito estufa, nem tudo pode ser eletrificado – particularmente o transporte pesado de longa distância – e, portanto, será necessária alguma forma de combustíveis limpos, como hidrocarbonetos sintéticos neutros em carbono, amônia ou hidrogênio. Todos esses combustíveis envolvem a conversão de energia limpa – seja do sol, vento, água ou urânio – em energia química transportável e estável. Parte desse processo requer a produção de hidrogênio limpo através do uso de eletricidade, luz ou calor para dividir a água em seus elementos constituintes, hidrogênio e oxigênio.

Os hidrocarbonetos são compostos de diferentes proporções de carbono e hidrogênio, daí o nome. Assim, as versões limpas e sintéticas que substituem seus primos fósseis sujos exigirão retirar o dióxido de carbono da atmosfera e transformá-lo em várias formas utilizáveis ​​de carbono como insumo a ser casado com o hidrogênio limpo. Para extrair o carbono atmosférico e fazer uso dele também é conhecido como captura e utilização de carbono (CCU).

Todos esses processos, e muitos outros envolvidos na transição limpa (a mudança de combustíveis fósseis para tecnologias limpas), como o uso de células de combustível e coleta de luz, são na verdade reações químicas que convertem energia de uma forma para outra, mais utilizável. . Essas reações químicas requerem a adição de substâncias conhecidas como catalisadores que aceleram a reação. Alguns desses catalisadores são extremamente caros, como a platina, ou não são eficientes o suficiente para que o produto final concorra com os combustíveis fósseis ou produza seus próprios desafios ambientais.

Assim, a busca por catalisadores mais eficientes, baratos e limpos, como a porfirina.

O desenvolvimento de catalisadores eficientes de materiais estruturais à base de porfirinas não preciosas para substituir catalisadores de metais preciosos continua sendo um obstáculo significativo. Atualmente, o projeto e a construção de blocos de porfirina dependem principalmente de um projeto altamente simétrico, o que limita a diversidade de famílias de estruturas de porfirina e afeta suas potenciais aplicações catalíticas. Novas estruturas que empregam unidades de porfirina com design assimétrico devem ser consideradas para estender a utilidade da substância.

O custo de preparação de materiais de estrutura de porfirina permanece alto e, portanto, é urgente que os engenheiros desenvolvam novos métodos de síntese para que esses catalisadores sejam utilizados em aplicações industriais em larga escala. Reduzir o número de etapas necessárias na síntese é uma pesquisa importante, mas também extremamente difícil de fazer.

Eles concluem, no entanto, que, caso esses desafios sejam superados, os materiais de estrutura à base de porfirina podem ser um divisor de águas na comercialização de processos de conversão de energia essenciais para alguns dos setores mais difíceis de descarbonizar.

As porfirinas são algumas das substâncias que mais trabalham na biologia. Essa classe de pigmentos é implantada em uma ampla gama de processos vitais, desde a fotossíntese até a respiração. Derivados dessas moléculas em forma de anel solúveis em água que se ligam a íons metálicos incluem clorofilas em plantas e hemoglobinas que transportam oxigênio no sangue de animais. Eles também aumentam as atividades catalíticas de enzimas em uma série de outras reações químicas que dão vida. As metaloporfirinas são de particular interesse no que diz respeito à transição limpa devido ao seu papel como catalisadores na separação da água para produzir hidrogênio e oxigênio. + Explorar mais

Novo catalisador aumenta radicalmente a taxa de conversão de dióxido de carbono em combustíveis solares