(Phys.org) - Pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) criaram um "gerador de hidrogênio" em pequena escala que usa luz e uma plataforma de grafeno bidimensional para aumentar a produção do elemento difícil de fazer.

A pesquisa também revelou uma propriedade até então desconhecida do grafeno. A cadeia bidimensional de átomos de carbono não só dá e recebe elétrons, mas também pode transferi-los para outra substância.

O hidrogênio está virtualmente em todos os lugares do planeta, mas o elemento é normalmente ligado a outros elementos e deve ser separado do oxigênio em H2O para produzir hidrogênio livre. O processo de separação comercial usa gás natural para reagir com vapor superaquecido para remover átomos de hidrogênio, produzindo combustível de hidrogênio, mas também dióxido de carbono - um subproduto do gás de efeito estufa que escapa para a atmosfera.

Gerador de estágio inicial de Argonne, composto de muitos pequenos conjuntos, é a prova de que o hidrogênio pode ser produzido sem a queima de combustíveis fósseis. A escala é pequena, um pouco menor que o diâmetro da seda da aranha. Aumentar a escala dessa pesquisa no futuro pode significar que você pode substituir o gás em seus carros e geradores por hidrogênio - uma opção mais ecológica, porque queimar combustível de hidrogênio emite apenas vapor d'água.

"Muitos pesquisadores estão procurando materiais inorgânicos para novas fontes de energia, "disse Elena Rozhkova, químico do Centro de Materiais em nanoescala de Argonne, um DOE Office of Science (Office of Basic Energy Sciences) User Facility. "Nosso objetivo é aprender com o mundo natural e usar seus materiais como blocos de construção para a inovação."

Para Rozhkova, este bloco de construção em particular é inspirado na função de uma proteína antiga conhecida por transformar luz em energia. Os pesquisadores sabem há muito tempo que alguns organismos unicelulares usam uma proteína chamada bacteriorodopsina (bR) para absorver a luz solar e bombear prótons através de uma membrana, criando uma forma de energia química. Eles também sabem que a água pode ser dividida em oxigênio e hidrogênio combinando essas proteínas com dióxido de titânio e platina e, em seguida, expondo-as à luz ultravioleta.

Há apenas uma desvantagem:o dióxido de titânio só reage na presença de luz ultravioleta, que representa apenas quatro por cento do espectro solar total. Se os pesquisadores quisessem alimentar seus geradores com luz solar, eles precisam melhorar isso.

A fim de produzir maiores quantidades de hidrogênio usando luz visível, os pesquisadores procuraram um novo material. O novo material precisaria de área de superfície suficiente para mover os elétrons de maneira rápida e uniforme e aumentar a eficiência geral de transferência de elétrons. Os pesquisadores também precisavam de uma plataforma na qual os componentes biológicos, como bR, poderia sobreviver e se conectar com o catalisador de dióxido de titânio:em suma, um material como o grafeno.

O grafeno é um super forte, Super leve, folha quase totalmente transparente de átomos de carbono e um dos melhores condutores de eletricidade já descobertos. O grafeno deve suas propriedades surpreendentes ao fato de ser bidimensional.

"O grafeno não só tem todas essas propriedades incríveis, mas também é ultrafino e biologicamente inerte, "disse Rozhkova." Sua presença permitiu que os outros componentes se montassem em torno dele, o que muda totalmente a forma como os elétrons se movem em nosso sistema. "

O mini gerador de hidrogênio de Rozhkova funciona assim:tanto a proteína bR quanto a plataforma de grafeno absorvem luz visível. Os elétrons dessa reação são transmitidos ao dióxido de titânio no qual esses dois materiais estão ancorados, tornando o dióxido de titânio sensível à luz visível.

Simultaneamente, a luz da extremidade verde do espectro solar aciona a proteína bR para começar a bombear prótons ao longo de sua membrana. Esses prótons fazem seu caminho para as nanopartículas de platina que ficam no topo do dióxido de titânio. O hidrogênio é produzido pela interação dos prótons e elétrons à medida que convergem para a platina.

Os exames usando uma técnica chamada Ressonância Paramagnética Eletrônica (EPR) e espectroscopia resolvida no tempo no Centro de Materiais em Nanoescala verificaram os movimentos dos elétrons dentro do sistema, enquanto estudos eletroquímicos confirmaram que os prótons foram transferidos. Os testes também revelaram uma nova peculiaridade do comportamento do grafeno.

"A maioria das pesquisas lá fora afirma que o grafeno principalmente conduz e aceita elétrons, "disse o pesquisador de pós-doutorado de Argonne, Peng Wang." Nossa exploração usando EPR nos permitiu provar, experimentalmente, que o grafeno também injeta elétrons em outros materiais. "

O gerador de hidrogênio de Rozhkova prova que a nanotecnologia, fundido com a biologia, pode criar novas fontes de energia limpa. A descoberta de sua equipe pode fornecer aos futuros consumidores uma alternativa de inspiração biológica à gasolina.

"Esses são os tipos de descobertas que podemos fazer em Argonne, "disse Rozhkova." Trabalhando nas ciências básicas da energia, fomos capazes de demonstrar uma alternativa ao gás, de inspiração biológica e rica em energia. "

Essa pesquisa, "Via de transferência de elétrons fotoinduzida em nano-bio catalisador híbrido impulsionado por óxido de grafeno reduzido com evolução de hidrogênio, "apareceu na edição de 7 de julho da ACS Nano .