Pesquisadores da Oregon State University criaram uma nova classe de materiais que podem usar luz para produzir hidrogênio a partir da água, oferecendo uma forma potencialmente limpa de converter energia solar em combustível.
O trabalho foi liderado por Kyriakos Stylianou, da OSU College of Science. Sua equipe desenvolveu um fotocatalisador capaz de produzir hidrogênio de forma rápida e eficiente. O hidrogênio é amplamente utilizado em células de combustível para veículos, bem como na produção de amônia, refino de metais e fabricação de plásticos.
Usando luz para acelerar reações químicas
Um catalisador é uma substância que acelera uma reação química sem alterar permanentemente o processo, disse Styliano. Um fotocatalisador funciona de maneira semelhante, mas é ativado pela luz. Depois de absorver a luz, o material atinge um estado de energia mais elevado e pode usar essa energia para conduzir reações químicas mais rapidamente.
Conclusão, publicada em Jornal da Sociedade Química AmericanaO estudo poderá fornecer aos investigadores outra ferramenta para reduzir as emissões de gases com efeito de estufa e enfrentar as alterações climáticas, disse Styliano.
Sua pesquisa se concentra em estruturas metálicas orgânicas, ou MOFs, que são materiais cristalinos e porosos com estruturas que podem ser cuidadosamente personalizadas.
Os MOFs são compostos de íons metálicos carregados positivamente rodeados por moléculas orgânicas “ligantes”. Seus pequenos poros e estruturas ajustáveis permitem aos cientistas melhorar suas propriedades para diferentes aplicações.
Milhões de diferentes estruturas MOF são teoricamente possíveis, disse Stylianou. Pesquisadores químicos já sintetizaram cerca de 100 mil deles, enquanto as propriedades de cerca de meio milhão foram previstas.
Induz uma reação incomum de ligação de enxofre
Para este estudo, os pesquisadores se concentraram em um MOF chamado BVR-19. O material contém uma ligação incomum de sulfeto a sulfeto que se rompe temporariamente quando exposto à luz, gerando espécies de enxofre altamente reativas.
“O componente biológico desempenha um papel importante”, disse Styliano. “Em vez de depender principalmente de átomos de metal, nosso material usa seus blocos de construção orgânicos ricos em enxofre para capturar energia luminosa e mover elétrons onde eles são necessários para produzir hidrogênio. Isso representa uma maneira diferente de pensar sobre como esses materiais devem ser projetados.”
Essa abordagem significa que o BVR-19 não precisa de catalisadores metálicos caros adicionais, disse Styliano. Isto pode tornar mais fácil projetar sistemas de produção de hidrogênio movidos a luz no futuro.
O material também tem outro benefício potencial. O BVR-19 se forma espontaneamente em solução aquosa à temperatura ambiente, reduzindo a quantidade de energia necessária para sua produção.
Uma alternativa limpa ao hidrogénio tradicional
A produção de hidrogénio através da divisão da água com um catalisador poderia ser mais limpa do que o método industrial dominante, que depende do gás natural.
Esse processo convencional, conhecido como reforma a vapor de metano, libera dióxido de carbono enquanto produz hidrogênio.
Os métodos existentes de produção de hidrogênio a partir da água geralmente dependem da eletrocatálise, que utiliza eletricidade para conduzir a reação catalítica. Os benefícios ambientais desta abordagem dependem em grande parte da origem da electricidade. Para permanecer sustentável e economicamente competitiva, a eletricidade deve provir de fontes renováveis de baixo custo.
Atualmente, o hidrogénio produzido através da reforma a vapor do metano custa cerca de 1,50 dólares por quilograma, enquanto o hidrogénio verde custa cerca de 5 dólares por quilograma.
Novas regras de design para hidrogénio verde barato
“Nosso trabalho fornece um modelo para projetar materiais melhores que podem reduzir o custo do hidrogênio verde”, disse Styliano, que dirige o Laboratório de Descoberta de Materiais da OSU, conhecido como MaD Lab. “Ao mudar o metal e manter o resto do material igual, descobrimos por que algumas versões de MOFs funcionam muito melhor do que outras. Essas descobertas fornecem novas regras de design para a criação de materiais mais eficazes para a produção de combustível solar.”
Os membros do MaD Lab Emmanuel Moses, Dylan Pyle, Jacob Lessard, Andrzej Gladysiak, Ankit Yadav, Silas Blessed e Prayash Mohanty com Logan Lancaster do Oregon State, Taylor Krueger, Min Soo Jung, Galen Fritz, Jacob Hirschi, Hongliang Huang, William Stickle, Xiuli “David” Ji, Chong Fang e Tim Zuhelsdorf participaram da pesquisa.
O Murdock Charitable Trust, a National Science Foundation e a OSU College of Science apoiaram o estudo.
