A separação da água com energia solar é um meio promissor de geração de energia limpa e armazenável. Foi demonstrado que um novo catalisador baseado em nanopartículas semicondutoras facilita todas as reações necessárias para a "fotossíntese artificial".

À luz da mudança climática global, há uma necessidade urgente de desenvolver formas eficientes de obtenção e armazenamento de energia de fontes renováveis ​​de energia. A divisão fotocatalítica de água em combustível hidrogênio e oxigênio fornece uma abordagem particularmente atraente neste contexto. Contudo, implementação eficiente deste processo, que imita a fotossíntese biológica, é tecnicamente muito desafiador, uma vez que envolve uma combinação de processos que podem interferir uns nos outros. Agora, Físicos LMU liderados pelo Dr. Jacek Stolarczyk e Professor Jochen Feldmann, em colaboração com químicos da Universidade de Würzburg liderados pelo Professor Frank Würthner, conseguiram demonstrar a divisão completa da água com a ajuda de um sistema catalítico tudo-em-um pela primeira vez. Seu novo estudo aparece na revista Nature Energy .

Os métodos técnicos para a divisão fotocatalítica de moléculas de água usam componentes sintéticos para imitar os processos complexos que ocorrem durante a fotossíntese natural. Em tais sistemas, nanopartículas semicondutoras que absorvem quanta de luz (fótons) podem, em princípio, servem como fotocatalisadores. A absorção de um fóton gera uma partícula carregada negativamente (um elétron) e uma espécie carregada positivamente conhecida como 'buraco, "e os dois devem ser separados espacialmente para que uma molécula de água possa ser reduzida a hidrogênio pelo elétron e oxidada pelo buraco para formar oxigênio." os orifícios são geralmente removidos rapidamente pela adição de reagentes químicos de sacrifício, "diz Stolarczyk." Mas para alcançar a divisão completa da água, os buracos devem ser retidos no sistema para conduzir o lento processo de oxidação da água. "O problema está em permitir que as duas semi-reações ocorram simultaneamente em uma única partícula - garantindo que as espécies com carga oposta não se recombinem. Além disso , muitos semicondutores podem ser oxidados, e assim destruído, pelos orifícios carregados positivamente.

Nanorods com locais de reação separados espacialmente

"Resolvemos o problema usando nanobastões feitos de sulfato de cádmio, material semicondutor, e separou espacialmente as áreas em que as reações de oxidação e redução ocorreram nesses nanocristais, "Stolarczyk explica. Os pesquisadores decoraram as pontas dos nanobastões com minúsculas partículas de platina, que atuam como aceptores para os elétrons excitados pela absorção de luz. Como o grupo LMU havia mostrado anteriormente, esta configuração fornece um fotocatalisador eficiente para a redução de água em hidrogênio. A reação de oxidação, por outro lado, ocorre nas laterais do nanorod. Para este fim, , os pesquisadores do LMU anexaram às superfícies laterais um catalisador de oxidação à base de rutênio desenvolvido pela equipe de Würthner. O composto foi equipado com grupos funcionais que o ancoraram ao nanorod. "Esses grupos fornecem transporte extremamente rápido de orifícios para o catalisador, que facilita a geração eficiente de oxigênio e minimiza os danos aos nanobastões, "diz o Dr. Peter Frischmann, um dos iniciadores do projeto em Würzburg.

O estudo foi realizado no âmbito do projeto interdisciplinar "Solar Technologies Go Hybrid" (SolTech), que é financiado pelo Estado da Baviera. "A missão da SolTech é explorar conceitos inovadores para a conversão de energia solar em combustíveis não fósseis, "diz o professor Jochen Feldmann, titular da cadeira de Fotônica e Optoeletrônica na LMU. “O desenvolvimento do novo sistema fotocatalítico é um bom exemplo de como a SolTech reúne a expertise disponível em diversas disciplinas e em diferentes locais. O projeto não poderia ter tido sucesso sem a cooperação interdisciplinar entre químicos e físicos de duas instituições, "acrescenta Würthner, quem, junto com Feldmann, iniciou a SolTech em 2012.