“A indústria química é um problema grande e complexo que devemos resolver se quisermos construir uma economia circular e sustentável”, disse o líder do estudo, Professor Owen Reisner, do Departamento de Química Yousef Hamid da Universidade de Cambridge. “Temos de descobrir como desfossilizar este importante setor que produz muitos dos produtos importantes de que todos necessitamos. Se conseguirmos fazer isto corretamente, esta será uma enorme oportunidade.”
Agora, uma equipa liderada pela Universidade de Cambridge está a explorar formas inovadoras que poderão eventualmente despetrificar esta importante indústria.
A sua descoberta envolve um dispositivo híbrido que combina polímeros orgânicos que absorvem luz e enzimas bacterianas para converter a luz solar, a água e o dióxido de carbono em ácido fórmico, um combustível limpo que pode alimentar outras reações químicas.
Esta “folha semi-artificial” replica a fotossíntese, o processo natural pelo qual as plantas convertem a luz solar em energia, e funciona inteiramente com a sua própria energia. Ao contrário dos projetos anteriores que dependiam de absorvedores de luz tóxicos ou instáveis, este novo modelo biohíbrido utiliza materiais não tóxicos, opera de forma mais eficiente e não requer aditivos adicionais para permanecer estável.
Em testes de laboratório, a equipe utilizou com sucesso a luz solar para converter dióxido de carbono em formato, que foi então aplicado diretamente em uma reação “dominó” para sintetizar um valioso composto farmacêutico, alcançando alto rendimento e pureza.
De acordo com publicado em joulemarcando a primeira vez que um semicondutor orgânico foi usado como componente de coleta de luz em um sistema biohíbrido, abrindo caminho para uma nova geração de folhas artificiais ecologicamente corretas.
A indústria química continua a ser uma pedra angular da economia global, produzindo uma vasta gama de produtos – desde produtos farmacêuticos e fertilizantes a plásticos, tintas, electrónica, detergentes e produtos de higiene pessoal.
“A indústria química é um problema grande e complexo que devemos resolver se quisermos construir uma economia circular e sustentável”, disse o líder do estudo, Professor Owen Reisner, do Departamento de Química Yousef Hamid da Universidade de Cambridge. “Temos de descobrir como desfossilizar este importante setor que produz muitos dos produtos importantes de que todos necessitamos. Se conseguirmos fazer isto corretamente, esta será uma enorme oportunidade.”
O grupo de pesquisa de Reisner concentra-se no desenvolvimento de folhas artificiais que podem converter a luz solar em combustíveis e produtos químicos à base de carbono, sem depender de combustíveis fósseis. Mas muitos dos seus primeiros projetos dependiam de catalisadores sintéticos ou semicondutores inorgânicos, que se degradam rapidamente, desperdiçando grandes quantidades do espectro solar, ou contêm elementos tóxicos como o chumbo.
“Se pudermos remover os componentes tóxicos e começarmos a usar elementos orgânicos, acabaremos com uma química limpa e um único produto final sem quaisquer reações colaterais indesejadas”, disse a coautora Celine Yeung, Ph.D., que concluiu a pesquisa como parte de seu trabalho de doutorado no laboratório de Reisner. “Este dispositivo combina o melhor dos dois mundos: o semicondutor orgânico é sintonizável e não tóxico, enquanto o biocatalisador é altamente seletivo e eficiente.”
O novo dispositivo integra semicondutores orgânicos com enzimas de bactérias redutoras de sulfato para dividir a água em hidrogênio e oxigênio ou converter dióxido de carbono em formato.
Os pesquisadores também resolveram um desafio de longa data: a maioria dos sistemas requer aditivos químicos, chamados tampões, para manter as enzimas funcionando. Estes podem quebrar rapidamente e limitar a estabilidade. Ao incorporar a coenzima anidrase carbônica em uma estrutura porosa de dióxido de titânio, os pesquisadores permitiram que o sistema funcionasse em uma solução simples de bicarbonato (semelhante à água com gás) sem a necessidade de aditivos insustentáveis.
“É como um grande quebra-cabeça”, disse o co-autor Yongpeng Liu, Ph.D., pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Reisner. “Temos todos esses componentes diferentes que tentamos reunir para atingir um único propósito. Levamos muito tempo para descobrir como essa enzima específica estava ancorada no eletrodo, mas agora estamos começando a ver os frutos desses esforços.”
“Ao realmente estudar como as enzimas funcionam, fomos capazes de projetar com precisão os materiais que compõem as diferentes camadas do dispositivo tipo sanduíche”, disse Yang. “Este design permite que os componentes individuais trabalhem juntos de forma mais eficiente, desde minúsculas nanoescalas até folhas artificiais completas.”
Testes mostraram que as folhas artificiais geram altas correntes e alcançam uma eficiência quase perfeita no direcionamento de elétrons para reações de produção de combustível. O dispositivo funcionou com sucesso por mais de 24 horas: mais que o dobro do tempo dos designs anteriores.
Os pesquisadores esperam desenvolver ainda mais seu projeto para prolongar a vida útil do dispositivo e modificá-lo para produzir diferentes tipos de produtos químicos.
“Mostramos que é possível fabricar dispositivos movidos a energia solar que não são apenas eficientes e duráveis, mas também não contêm ingredientes tóxicos ou insustentáveis”, disse Reisner. “Isso poderia se tornar uma plataforma fundamental para a produção de combustíveis e produtos químicos verdes no futuro – uma oportunidade real para realizar algumas reações químicas interessantes e importantes”.
A pesquisa foi parcialmente apoiada pela Agência de Ciência, Tecnologia e Pesquisa de Cingapura (A*STAR), pelo Conselho Europeu de Pesquisa, pela Fundação Nacional Suíça de Ciência, pela Academia Real de Engenharia e pela Pesquisa e Inovação do Reino Unido (UKRI). Erwin Reisner é membro do St John’s College, Cambridge. Celine Yeung é membro do Downing College, Universidade de Cambridge.
