Energia - Sistema de ‘fotossíntese artificial’ é mais eficiente do que os atuais
Trabalho pode ser mais um passo rumo aos combustíveis alternativos
Peter Allen
Nos últimos dois séculos, os humanos têm contado com combustíveis fósseis para obter energia concentrada. Mas esse suprimento é finito, o consumo de combustível fóssil impacta negativamente o clima da Terra e é preciso encontrar uma alternativa para garantir o suprimento de energia no futuro. A fotossíntese artificial pode ser uma delas e ganhou força com uma recente descoberta feita por Químicos da Universidade de Chicago (EUA), que elaboram um método mais eficiente que os conhecidos e capaz de produzir etanol, metano e outros combustíveis.
Assinado por seis químicos, o estudo publicado na Nature Catalysis mostra um sistema inovador para fotossíntese artificial que é mais produtivo do que os sistemas artificiais anteriores em uma ordem de grandeza.
Embora tenha um longo caminho a percorrer antes que possa se tornar uma maneira de abastecer seu carro todos os dias, o método dá aos cientistas uma nova direção a explorar – e pode ser útil a curto prazo para a produção de outros produtos químicos.
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Pudemos compreendemos como este sistema artificial funciona, diz Lin
“Esta é uma grande melhoria nos sistemas existentes. Fomos capazes de estabelecer uma compreensão muito clara de como esse sistema artificial funciona no nível molecular, o que não havia sido alcançado antes”, disse Wenbin Lin, professor da universidade e autor sênior do estudo.
“Sem a fotossíntese natural, não estaríamos aqui. Ela produziu o oxigênio que respiramos na Terra e a comida que comemos”, disse Lin. “Mas nunca será eficiente o suficiente para fornecer combustível para dirigirmos carros; então vamos precisar de outra coisa”.
O problema é que a fotossíntese cria carboidratos, que são ótimos para nos abastecer, mas não nossos carros, que precisam de muito mais energia concentrada. Portanto, os pesquisadores que procuram criar alternativas aos combustíveis fósseis precisam reprojetar o processo para criar combustíveis mais densos em energia, como etanol ou metano.
Na natureza, a fotossíntese é realizada por vários conjuntos muito complexos de proteínas e pigmentos. Eles absorvem água e dióxido de carbono, separam as moléculas e reorganizam os átomos para produzir carboidratos – uma longa cadeia de compostos de hidrogênio-oxigênio-carbono. Os cientistas, no entanto, precisam retrabalhar as reações para produzir um arranjo diferente com apenas hidrogênio envolvendo um núcleo de carbono, formando o metano (CH4)
Essa reengenharia é muito mais complicada do que parece; os pesquisadores vêm mexendo nisso há décadas, tentando se aproximar da eficiência da natureza. Lin e sua equipe de laboratório pensaram que poderiam tentar adicionar algo que os sistemas de fotossíntese artificial até hoje não incluíram: aminoácidos.
Compostos – A equipe começou com um tipo de material chamado estrutura metalorgânica ou MOF, uma classe de compostos de íons metálicos mantidos juntos por moléculas orgânicas. Em seguida, eles projetaram os MOFs como uma única camada, a fim de fornecer a área de superfície máxima para reações químicas, e submergiram tudo em uma solução que incluía um composto de cobalto para transportar elétrons. Por fim, eles adicionaram aminoácidos aos MOFs e experimentaram para descobrir qual funcionava melhor.
Guangxu Lan
A principal novidade do processo proposto foi a adição de aminoácidos aos MOFs
Eles conseguiram fazer melhorias nas duas metades da reação: o processo que separa a água e o que adiciona elétrons e prótons ao dióxido de carbono. Em ambos os casos, os aminoácidos ajudaram a reação a ser mais eficiente. O trecho final do resumo do estudo publicado na Nature Catalysis diz que “aqui relatamos uma enzima artificial baseada em estrutura metal-orgânica integrando centros metálicos ativos, aminoácidos proximais e outros cofatores em uma monocamada de estrutura metalorgânica sintonizável. Projetamos duas bibliotecas de MOFs para realizar reações fotocatalíticas de CO2 de redução e oxidação da água. A combinação dessas MOFs otimizadas em um único sistema realiza a fotossíntese artificial completa na reação de:
(1 + n )CO2 + 2H2 O → CH4 + nCO + (2 + n /2)O2
Mesmo com o desempenho significativamente melhorado, no entanto, a fotossíntese artificial tem um longo caminho a percorrer antes de produzir combustível suficiente para ser relevante para uso generalizado. “Onde estamos agora, seria necessário aumentar em muitas ordens de magnitude para produzir uma quantidade suficiente de metano para o nosso consumo”, disse Lin.
A descoberta também pode ser amplamente aplicada a outras reações químicas; é preciso produzir muito combustível para ter impacto, mas quantidades bem menores de algumas moléculas, como as matérias-primas para a fabricação de medicamentos e nylons, entre outras, podem ser muito úteis.
“Muitos desses processos fundamentais são os mesmos”, disse Lin. “Se você desenvolver bons produtos químicos, eles podem ser conectados a muitos sistemas”.
Para caracterizar os materiais que desenvolveram, os químicos da Universidade de Chicago usaram uma fonte de luz síncroton – um tipo de radiação eletromagnética capaz de penetrar a matéria e revelar características de sua estrutura – instalada no Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos Estados Unidos.
Os demais autores do artigo, que está disponível aqui, são Guangxu Lan, Yingjie Fan, Wenjie Shi, Eric You e Samuel Veroneau.
Com informações de Louise Lerner, da UChicago News.
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