Dióxido de carbono ou CO₂ pode potencialmente ser usado como matéria-prima para ser convertido em "combustíveis solares" neutros em carbono que armazenam energia do sol. Mas para que sejam competitivos com os combustíveis fósseis, a reação química que realiza essa conversão precisa de catalisadores muito mais eficientes. Pesquisadores descobriram recentemente uma estrutura de fotocatalisador envolvendo átomos isolados de cobre em uma estrutura de polímero que melhora radicalmente o desempenho do catalisador.
Uma descrição do novo catalisador foi publicada na revista Nano Research .

Há uma série de setores, como transporte de longa distância e aviação, que são difíceis de eletrificar e, portanto, na batalha para mitigar as mudanças climáticas, será necessário desenvolver alguma forma de combustível neutro em carbono. Enquanto isso, a energia solar pode ser de baixo carbono, mas depende do clima. Às vezes não há eletricidade suficiente sendo produzida e outras vezes demais.

Uma solução elegante que poderia amenizar os dois problemas é a conversão da energia solar em combustíveis sintéticos. Ao reduzir o CO atmosférico₂ e usando-o como matéria-prima combinada com o hidrogênio produzido pela divisão das moléculas de água, versões de hidrocarbonetos neutras em carbono podem ser produzidas em uma fábrica. Isso, na verdade, armazena energia solar para uso posterior quando o sol não está brilhando ou como um combustível limpo que funciona em setores de difícil eletrificação (e além).

No entanto, um dos grandes desafios dessa visão de energia solar para combustíveis, que imita como as plantas transformam a luz solar em energia, é aumentar a eficiência das reações químicas envolvidas o suficiente para tornar o custo do produto final competitivo com os combustíveis fósseis sujos.

A chave para alcançar tais eficiências é produzir melhores catalisadores, substâncias que aceleram a reação química. O principal objetivo foi maximizar a concentração de sítios nas moléculas do catalisador onde uma reação pode ocorrer para melhorar a eficiência e, ao mesmo tempo, reduzir o desperdício.

Na última década, a comunidade de pesquisa de catalisadores voltou cada vez mais sua atenção para catalisadores de átomo único (SACs) com o objetivo de dar um grande impulso a todos os tipos de processos industriais, não apenas à fotocatálise necessária para energia solar para combustíveis . SACs são catalisadores onde todos os átomos de metal envolvidos na reação existem como átomos isolados dispersos em uma estrutura de suporte sólida. Esses átomos de metal único também são tipicamente carregados positivamente. Como resultado dessa estrutura geométrica e eletrônica incomum, os SACs podem aumentar radicalmente a eficiência da catálise.

O campo de pesquisa e desenvolvimento de SAC explodiu nos últimos anos, em grande parte devido à chegada de métodos avançados de imagem e espectroscópicos de raios-X. Isso permitiu que os químicos produzissem imagens altamente detalhadas de SACs em ação – mesmo enquanto a reação estava ocorrendo, o que lhes permite entender melhor o que está acontecendo e testar novas hipóteses. Paralelamente a isso, técnicas modernas de síntese química permitiram a construção de SACs muito bem adaptados para um processo desejado.

"Muitos SACs diferentes para outras reações químicas foram desenvolvidos nos últimos anos, proporcionando uma revolução no desempenho catalítico", disse Jiangwei Zhang, coautor do artigo e físico químico do Centro de Pesquisa em Engenharia Química Avançada e Materiais de Energia da Universidade de Petróleo da China em Qingdao, "e agora foi a vez dos fotocatalisadores para a produção de combustível solar".

Os pesquisadores construíram um SAC com uma estrutura covalente baseada em triazina (CTF) que ancora átomos de cobre únicos. Os CTFs são uma classe relativamente nova de polímeros (cadeias de moléculas muito grandes) que já demonstraram aumentar o desempenho fotocatalítico de separação de água. Ao combinar CTFs com átomos de cobre únicos, os químicos pretendiam fornecer uma estrutura altamente porosa (para aumentar o número de locais disponíveis onde a reação química relevante pode ocorrer) e fornecer a máxima eficiência atômica. Eles chamam esta formulação Cu-SA/CTF.

Eles foram capazes de visualizar os átomos de Cu simples por imagens de microscopia eletrônica de transmissão de varredura de campo escuro anular de alto ângulo (HAADF-STEM). E a estrutura dos locais onde as reações ocorrem foi revelada por análises de estrutura fina de absorção de raios X estendida (EXAFS).

Com essas informações, os pesquisadores puderam testar o desempenho dos fotocatalisadores Cu-SA/CTF e investigar o que estava acontecendo no nível atômico. Eles descobriram que a adição de átomos de cobre únicos à estrutura dotou os catalisadores de uma maior capacidade de adsorver CO₂ (coloque o CO₂ a si mesmo para realizar a reação química) e fortaleceu a resposta à luz visível que conduz o processo, além de fornecer uma série de outras melhorias. Juntos, isso funcionou para melhorar significativamente a conversão de CO₂ e água em combustível metano.

Como resultado, os pesquisadores conseguiram desenvolver diretrizes para projetar em escala atômica outros fotocatalisadores robustos para conversão de CO₂ em outras substâncias úteis. + Explorar mais

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