Os nanohíbridos baseados em polioxometalato (POM) oferecem potencialmente uma mudança radical na sustentabilidade em uma ampla variedade de indústrias, mas a pesquisa sobre as substâncias está em sua infância. Um grupo de investigadores produziu uma análise abrangente do progresso do sector e dos desafios ainda por superar.



Uma nova classe de materiais híbridos em nanoescala tem potencial para melhorar a sustentabilidade em sistemas de energia, transportes, biossensores, purificação de água e até impressão 3D, mas o campo ainda é muito jovem. Um grupo de pesquisadores produziu agora uma visão geral detalhada da situação dos nanohíbridos baseados em polioxometalato (POM), traçando um caminho para a pesquisa neste domínio de ponta da ciência dos materiais.

Um artigo de revisão detalhando suas descobertas foi publicado na revista Polyoxometalates em 30 de setembro.

Nas últimas décadas, surgiu uma nova classe de materiais em nanoescala, ou mais simplesmente nanomateriais, em que uma única unidade possui dimensões na faixa de 1 a 100 nanômetros. Nessa escala, os materiais podem exibir propriedades físicas, químicas e biológicas únicas e muitas vezes aprimoradas que diferem dos materiais mais massivos ou "volumosos". Por exemplo, materiais em nanoescala podem ter uma proporção maior entre área de superfície e volume, o que pode aumentar sua reatividade e capacidade de catalisar (iniciar ou acelerar) reações químicas.

Talvez o nanomaterial mais conhecido seja o grafeno, mas os nanomateriais podem ser construídos a partir de uma ampla gama de substâncias, incluindo metais, semicondutores, cerâmicas e polímeros. Mais recentemente, os pesquisadores também desenvolveram nano-híbridos. São substâncias que combinam dois ou mais tipos diferentes de nanomateriais.

De particular interesse para os pesquisadores, especialmente aqueles que visam tornar a produção industrial mais sustentável, são os nanohíbridos à base de polioxometalato (POM), que possuem propriedades catalíticas únicas em reações fotoeletroquímicas - aquelas que geram eletricidade a partir da luz ou dividem a água em hidrogênio e oxigênio produzidos de forma limpa. . Isso torna os nanohíbridos POM candidatos promissores para uma ampla gama de aplicações, incluindo conversão e armazenamento de energia limpa, bem como sensores e eletrônicos que não dependem do uso de fontes de energia sujas.

Os POMs são uma classe muito grande de compostos inorgânicos baratos e estáveis ​​que consistem em íons metálicos, normalmente metais de transição como tungstênio ou molibdênio, ligados entre si por átomos de oxigênio para formar uma rede tridimensional. Os POMs são moléculas tipicamente grandes e complexas que podem ter uma ampla variedade de formas e tamanhos e exibem uma variedade de propriedades interessantes e úteis.

"Houve uma explosão de pesquisas sobre nano-híbridos POM nos últimos anos e, por isso, achamos que era hora de fazer uma pausa e produzir uma visão geral do estado atual, a fim de identificar potenciais lacunas e controvérsias na pesquisa", disse Guangjin Zhang, autor correspondente do artigo de revisão e químico do Laboratório Chave de Processos Verdes e Engenharia das Academias Chinesas de Ciências.

Os artigos de revisão científica são uma parte essencial do processo científico, visando resumir e avaliar criticamente o estado atual do conhecimento sobre um determinado tema num determinado campo da ciência, avaliar a qualidade e fiabilidade da literatura existente e sugerir futuras direções de investigação.

Os autores da revisão concluem que o que torna os POMs tão atraentes é como eles podem melhorar as propriedades catalíticas fotoeletroquímicas do material nanohíbrido resultante. Isso ocorre porque os POMs podem atuar tanto como aceitadores quanto como doadores de elétrons, o que lhes permite facilitar a transferência de carga elétrica e melhorar a eficiência das reações relevantes. Melhor ainda, os POMs também podem atuar como catalisadores, melhorando ainda mais as propriedades catalíticas do material nanohíbrido.

A revisão também explica a diferença entre nanohíbridos binários e ternários baseados em POM, o primeiro consistindo em dois materiais funcionais em nanoescala e o último consistindo em três. Os nanohíbridos binários combinam POM e um metal, POM e um semicondutor, ou POM e um nanocarbono, enquanto os nanohíbridos ternários combinam um POM, um metal e um nanocarbono.

Os autores observam que os nanohíbridos binários foram extensivamente estudados e mostraram resultados promissores em uma variedade de aplicações, incluindo fotocatálise, células de combustível e biossensores. Enquanto isso, os nanohíbridos ternários têm o potencial de combinar as propriedades únicas de três materiais diferentes, resultando em funcionalidade e versatilidade ainda maiores.

Uma das áreas mais promissoras de pesquisa em nanohíbridos baseados em POM de ambos os tipos vem de seu uso em fotocatálise – usando luz para conduzir reações químicas. Os nanohíbridos baseados em POM têm o potencial de melhorar a eficiência das reações fotocatalíticas, que poderiam ter aplicações importantes em áreas como conversão de energia solar e remediação ambiental. Os nanohíbridos também podem ter aplicações em células de combustível, que são dispositivos que convertem energia química em energia elétrica, como por exemplo em transportes movidos a hidrogênio. Os nanohíbridos baseados em POM têm o potencial de melhorar a eficiência e durabilidade das células de combustível.

Outra área não relacionada à energia sustentável onde os nanohíbridos baseados em POM mostram grande promessa envolve a sua aplicação em biossensores, dispositivos que detectam e medem substâncias biológicas ou químicas numa amostra através de alterações nos sinais eléctricos resultantes de reacções bioquímicas. A alta área superficial dos nanohíbridos e a capacidade de imobilizar biomoléculas, entre outras propriedades, os tornam especialmente adequados para uso em tais dispositivos.

Os pesquisadores já usaram nanohíbridos baseados em POM para desenvolver biossensores que podem detectar substâncias como simazina e peróxido de hidrogênio com alta sensibilidade. Esses biossensores têm potencial para serem usados ​​em uma ampla gama de aplicações, desde diagnósticos médicos até monitoramento ambiental. Outras aplicações emergentes incluem purificação de água, semicondutores e impressão 3D.

Um dos principais desafios que os pesquisadores neste campo enfrentam é que, embora os nano-híbridos ternários baseados em POM ofereçam um desempenho ainda mais aprimorado, no momento, a pesquisa ainda está em sua infância, com uma compreensão mais limitada das propriedades e do comportamento dos nano-híbridos ternários. Suas aplicações potenciais ainda estão sendo exploradas e pode haver desafios relacionados ao desenvolvimento e otimização de nanohíbridos ternários para aplicações específicas. Além disso, para todos os tipos de nano-híbridos de POM, a solubilidade das moléculas de POM nos híbridos pode degradar seu desempenho como catalisadores. A sua dispersão não uniforme sobre e dentro de substâncias condutoras também continua a ser um problema persistente e, quando combinada com metais ou óxidos metálicos, é difícil controlar o tamanho e a forma das partículas.

Os autores argumentam que um maior foco numa compreensão fundamental da relação entre a estrutura dos híbridos e a sua actividade química deverá ajudar a superar estes obstáculos a aplicações mais amplas, e apelam a uma cooperação mais ampla entre diferentes disciplinas para o fazer.

Mais informações: Shuangshuang Zhang et al, Projeto e síntese de novos nanohíbridos binários e ternários baseados em polioxometalato para conversão e armazenamento de energia, Polioxometalatos (2023). DOI:10.26599/POM.2023.9140037
Fornecido pela Imprensa da Universidade de Tsinghua