Quando Emiliano Cortés vai em busca da luz solar, ele não usa espelhos gigantescos ou grandes fazendas solares. Muito pelo contrário, o professor de física experimental e conversão de energia da LMU mergulha no nanocosmo.



“O local onde as partículas de alta energia da luz solar, os fotões, se encontram com as estruturas atómicas é onde a nossa investigação começa”, diz Cortés. “Estamos trabalhando em soluções materiais para capturar e usar a energia solar de forma mais eficiente”.

Suas descobertas têm grande potencial, pois permitem novas células solares e fotocatalisadores. A indústria tem grandes esperanças nestes últimos porque podem tornar a energia luminosa acessível para reações químicas – contornando a necessidade de gerar eletricidade. Mas há um grande desafio na utilização da luz solar, que as células solares também têm de enfrentar, sabe Cortés:"A luz solar chega à Terra 'diluída', pelo que a energia por área é comparativamente baixa." Os painéis solares compensam isso cobrindo grandes áreas.

Cortés, porém, está abordando o problema de outra direção, por assim dizer. Com sua equipe no Nano-Instituto da LMU, ele está desenvolvendo as chamadas nanoestruturas plasmônicas que podem ser usadas para concentrar energia solar.

Na revista Nature Catalysis , Cortés, juntamente com o Dr. Matías Herran, agora no Instituto Fritz Haber, Berlim, e parceiros de cooperação da Universidade Livre de Berlim e da Universidade de Hamburgo, apresentam um supercristal bidimensional que gera hidrogênio a partir de ácido fórmico com a ajuda da luz solar .

“O material é tão notável que detém o recorde mundial de produção de hidrogênio a partir da luz solar”, destaca Cortés. Esta é uma boa notícia para a produção de fotocatalisadores e de hidrogénio como transportador de energia, uma vez que desempenham um papel importante numa transição energética bem sucedida.

Concentração de energia solar com ímãs em miniatura

Para seu supercristal, Cortés e Herrán usam dois metais diferentes em formato nanoescala. “Primeiro criamos partículas na faixa de 10 a 200 nanômetros a partir de um metal plasmônico – que no nosso caso é ouro”, explica Herrán.

“Nesta escala, um fenômeno especial ocorre com os metais plasmônicos, que também incluem prata, cobre, alumínio e magnésio:a luz visível interage muito fortemente com os elétrons do metal, fazendo-os oscilar de forma ressonante”. Isso significa que os elétrons se movem coletivamente muito rapidamente de um lado para o outro da nanopartícula, criando uma espécie de miniímã. Os especialistas chamam isso de momento dipolar.

“Para a luz incidente, esta é uma mudança forte, pois posteriormente interage muito mais fortemente com a nanopartícula metálica”, explica Cortés. "De forma análoga, pode-se pensar no processo como uma superlente que concentra a energia. Nossos nanomateriais fazem isso, mas em escala molecular." Isso permite que as nanopartículas capturem mais luz solar e a convertam em elétrons de energia muito alta. Estes, por sua vez, ajudam a impulsionar reações químicas.

Nano hotspots liberam poder catalítico

Mas como essa energia pode ser aproveitada? Para isso, os cientistas da LMU uniram-se a investigadores da Universidade de Hamburgo. Eles organizaram as partículas de ouro de maneira ordenada sobre uma superfície, de acordo com o princípio da auto-organização. As partículas devem estar muito próximas, mas não se tocando, para maximizar as interações luz-matéria. Em colaboração com uma equipa de investigação da Freie Universität Berlin, que estudou as propriedades ópticas do material, os investigadores da LMU descobriram que a absorção de luz aumentou muitas vezes.

“As matrizes de nanopartículas de ouro concentram a luz que chega de forma extremamente eficiente, produzindo campos elétricos fortes e altamente localizados, os chamados hotspots”, diz Herrán. Estas se formam entre as partículas de ouro, o que deu a Cortés e Herrán a ideia de colocar nanopartículas de platina, um material catalisador clássico e poderoso, bem nos interespaços.

Isto foi feito novamente pela equipe de pesquisa de Hamburgo. "A platina não é o material de escolha para a fotocatálise porque absorve mal a luz solar. No entanto, podemos forçá-la em pontos críticos para aumentar essa absorção que de outra forma seria fraca e potencializar reações químicas com a energia da luz. No nosso caso, a reação converte ácido fórmico em hidrogênio ”, explica Herrán. Com uma taxa de produção de hidrogênio a partir de ácido fórmico de 139 milimoles por hora e por grama de catalisador, o material fotocatalítico detém atualmente o recorde mundial de H₂ produção com luz solar.

Um impulso para uma produção de hidrogênio mais verde

Hoje, o hidrogénio é produzido principalmente a partir de combustíveis fósseis, predominantemente a partir do gás natural. Para mudar para uma produção mais sustentável, equipas de investigação em todo o mundo estão a trabalhar em tecnologias que utilizam matérias-primas alternativas – incluindo ácido fórmico, amoníaco e água. O foco também está no desenvolvimento de reatores fotocatalíticos adequados para produção em larga escala.

“Soluções de materiais inteligentes como as nossas são um importante alicerce para o sucesso da tecnologia”, mencionaram os dois pesquisadores. "Ao combinar metais plasmônicos e catalíticos, estamos avançando no desenvolvimento de fotocatalisadores potentes para aplicações industriais. É uma nova maneira de usar a luz solar e que oferece potencial para outras reações, como a conversão de CO₂ em substâncias utilizáveis", explicam Cortés e Herrán. Os dois pesquisadores já patentearam o desenvolvimento de seus materiais.

Mais informações: Matias Herran et al, Supercristais bidimensionais bimetálicos plasmônicos para geração de H2, Nature Catalysis (2023). DOI:10.1038/s41929-023-01053-9
Informações do diário: Catálise da Natureza

Fornecido pela Universidade Ludwig Maximilian de Munique