“Se quisermos construir uma economia circular e sustentável, a indústria química é um problema grande e complexo que devemos resolver”, disse o professor Erwin Reisner, do Departamento Yusuf Hamid de Cambridge, que liderou a investigação. “Precisamos encontrar formas de desfossilizar este importante setor, que produz tantos produtos importantes de que todos necessitamos. Se conseguirmos fazer isso direito, será uma enorme oportunidade.”
Agora, uma equipa liderada pela Universidade de Cambridge está a explorar métodos inovadores que poderão finalmente “desfossilizar” 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 formato, um combustível limpo que pode alimentar reações químicas adicionais.
Esta “folha semi-artificial” replica a fotossíntese, o processo natural que as plantas usam para transformar a luz solar em energia, e funciona inteiramente com sua própria energia. Ao contrário dos designs anteriores que dependiam de absorvedores de luz tóxicos ou instáveis, este novo modelo biohíbrido utiliza materiais não tóxicos, funciona com mais eficiência e é estável sem aditivos adicionais.
Em experimentos de laboratório, a equipe converteu com sucesso o dióxido de carbono em formato usando a luz solar e depois aplicou-o diretamente em uma reação de “dominó” para sintetizar um composto valioso usado na medicina, alcançando alto rendimento e pureza.
De acordo com dados publicados ZoológicoEste é o primeiro caso em que semicondutores orgânicos serviram como material de captura de luz num sistema bio-híbrido, abrindo caminho para uma nova geração de folhas artificiais ecológicas.
A indústria química continua a ser um pilar da economia global, produzindo uma vasta gama de produtos, desde produtos farmacêuticos e fertilizantes até plásticos, tintas, electrónica, agentes de limpeza e cosméticos.
“Se quisermos construir uma economia circular e sustentável, a indústria química é um problema grande e complexo que devemos resolver”, disse o professor Erwin Reisner, do Departamento Yusuf Hamid de Cambridge, que liderou a investigação. “Precisamos encontrar formas de desfossilizar este importante setor, que produz tantos produtos importantes de que todos necessitamos. Se conseguirmos fazer isso direito, será uma enorme oportunidade.”
O grupo de pesquisa de Reisner é especializado no desenvolvimento de folhas artificiais, que convertem a luz solar em combustíveis e produtos químicos à base de carbono, sem depender de combustíveis fósseis. Mas muitos dos seus projetos anteriores dependiam de catalisadores sintéticos ou semicondutores inorgânicos, que se degradam rapidamente, desperdiçam grande parte do espectro solar ou contêm ingredientes tóxicos como o chumbo.
“Se pudermos remover os ingredientes tóxicos e começarmos a usar ingredientes orgânicos, acabaremos com uma reação química limpa e um único produto final, sem efeitos colaterais indesejados”, disse a co-autora Dra. Celine Yeung, que completou a pesquisa como parte de seu trabalho de doutorado no laboratório de Reisner. “Este dispositivo combina o melhor dos dois mundos: os semicondutores orgânicos são sintonizáveis e não tóxicos, enquanto os biocatalisadores são altamente seletivos e eficientes.”
O novo dispositivo combina semicondutores orgânicos com enzimas de bactérias redutoras de sulfato, dividindo a água em hidrogênio e oxigênio ou convertendo dióxido de carbono em formato.
Os investigadores também enfrentaram um desafio de longa data: a maioria dos sistemas requer aditivos químicos, conhecidos como tampões, para manter as enzimas em funcionamento. Eles podem quebrar rapidamente e limitar a estabilidade. Ao incorporar uma enzima auxiliar, a anidrase carbônica, em uma estrutura porosa de titânio, os pesquisadores permitiram que o sistema funcionasse em uma solução simples de bicarbonato – como água com gás – sem aditivos voláteis.
“É como um grande quebra-cabeça”, disse o coautor Dr. Yongpeng Liu, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Reisner. “Temos todos esses componentes diferentes que estamos tentando reunir para um único propósito. Demoramos muito para entender como essa enzima específica é imobilizada em um eletrodo, mas agora estamos começando a ver os frutos desse esforço.”
“Ao realmente estudar como as enzimas funcionam, fomos capazes de projetar com precisão os componentes que compõem as diferentes camadas do nosso dispositivo tipo sanduíche”, disse Yeung. “Este projeto fez com que as peças funcionassem juntas de forma mais eficaz, desde pequenas nanoescalas até folhas totalmente artificiais.”
Experimentos mostraram que a folha artificial gera altas correntes e alcançou eficiência quase perfeita no direcionamento de elétrons para reações geradoras de combustível. O dispositivo durou com sucesso mais de 24 horas: mais que o dobro do design anterior.
Os pesquisadores esperam desenvolver ainda mais seus projetos para prolongar a vida útil do dispositivo e adaptá-lo para que possa produzir uma ampla variedade de produtos químicos.
“Mostramos que é possível fabricar dispositivos movidos a energia solar que não são apenas eficientes e duráveis, mas também livres de materiais tóxicos ou insustentáveis”, diz Reisner. “Esta poderia ser uma plataforma fundamental para a produção de combustíveis e produtos químicos verdes no futuro – é uma oportunidade real para fazer alguma química interessante e importante.”
A pesquisa foi apoiada em parte 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, Cambridge.
