Nova técnica pode acelerar futuros combustíveis solares livres de carbono – Strong The One

A nova abordagem, relatada em Natureza Catálisepoderia ajudar a promover alternativas livres de carbono para combustíveis fósseis ligadas ao aquecimento global e às mudanças climáticas.

O trabalho também é a primeira demonstração de um dispositivo que imita como essas bactérias sintetizam naturalmente acetato a partir de elétrons e CO_2.

“O que é incrível é que aprendemos a converter seletivamente dióxido de carbono em acetato, imitando como esses pequenos microorganismos fazem isso naturalmente”, disse o autor sênior Peidong Yang, que detém títulos de cientista sênior da faculdade na Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor de química e ciência e engenharia de materiais na UC Berkeley. “Tudo o que fazemos em meu laboratório para converter CO₂ em produtos úteis é inspirado na natureza. Em termos de mitigação de CO₂ emissões e combate às mudanças climáticas, isso faz parte da solução.”

Por décadas, os pesquisadores sabem que uma via metabólica em algumas bactérias lhes permite digerir elétrons e CO₂ para produzir acetato, uma reação conduzida pelos elétrons. A via quebra o CO₂ moléculas em dois grupos químicos diferentes ou “assimétricos”: um grupo carbonila (CO) ou um grupo metila (CH₃). As enzimas nesta via de reação permitem que os carbonos em CO e CH₃ para ligar ou “acoplar”, o que desencadeia outra reação catalítica que produz acetato como produto final.

Pesquisadores no campo da fotossíntese artificial querem desenvolver dispositivos que imitem a química do caminho – chamado acoplamento carbono-carbono assimétrico – mas encontrar eletrocatalisadores sintéticos que funcionem tão eficientemente quanto os catalisadores enzimáticos naturais das bactérias tem sido um desafio.

“Mas pensamos, se esses microorganismos podem fazer isso, deve-se ser capaz de imitar sua química no laboratório”, disse Yang.

Avanço da fotossíntese artificial com cobre faminto por carbono

O talento do cobre para converter carbono em vários produtos úteis foi descoberto pela primeira vez na década de 1970. Com base nesses estudos anteriores, Yang e sua equipe concluíram que os dispositivos de fotossíntese artificial equipados com um catalisador de cobre deveriam ser capazes de converter CO₂ e água em grupos metil e carbonila e, em seguida, transformar esses produtos em acetato. Então, para um experimento, Yang e sua equipe projetaram um modelo de dispositivo com uma superfície de cobre; em seguida, expuseram a superfície do cobre ao iodeto de metila líquido (CH₃I) e gás CO, e aplicou uma polarização elétrica ao sistema.

Os pesquisadores levantaram a hipótese de que o CO iria aderir à superfície do cobre, desencadeando o acoplamento assimétrico de CO e CH₃ grupos para produzir acetato. CH marcado com isótopos₃Fui usado nos experimentos para rastrear o caminho da reação e os produtos finais. (Um isótopo é um átomo com mais ou menos nêutrons (partículas não carregadas) em seu núcleo do que outros átomos de um elemento.)

E eles estavam certos. Experimentos analíticos químicos conduzidos no laboratório de Yang em UC Berkeley revelaram que o emparelhamento de grupos carbonila e metila do cobre produziu não apenas acetato, mas outros líquidos valiosos, incluindo etanol e acetona. O rastreamento isotópico permitiu aos pesquisadores confirmar que o acetato foi formado através da combinação do CO e CH₃.

Em outro experimento, os pesquisadores sintetizaram um material ultrafino a partir de uma solução de nanopartículas de cobre e prata, cada uma com apenas 7 nanômetros (bilionésimos de metro) de diâmetro. Os pesquisadores então projetaram outro dispositivo modelo, desta vez em camadas com o material fino de nanopartículas.

Como esperado, a polarização elétrica desencadeou uma reação, levando as nanopartículas de prata a converter CO₂ em um grupo carbonila, enquanto as nanopartículas de cobre transformaram CO₂ em um grupo metil. Análises subseqüentes no laboratório de Yang revelaram que outra reação (o cobiçado acoplamento assimétrico) entre CO e CH₃ produtos líquidos sintetizados, como o acetato.

Por meio de experimentos de microscopia eletrônica na Molecular Foundry, os pesquisadores aprenderam que as nanopartículas de cobre e prata estão em contato próximo umas com as outras, formando sistemas em tandem, e que as nanopartículas de cobre serviram como centro catalítico para o acoplamento assimétrico.

Yang disse que essas nanopartículas de cobre-prata poderiam potencialmente ser acopladas a nanofios de silício absorvedores de luz no futuro design de sistemas eficientes de fotossíntese artificial.

Em 2015, Yang co-liderou um estudo que demonstrou um sistema de fotossíntese artificial composto por nanofios semicondutores e bactérias usando a energia da luz solar para produzir acetato a partir de dióxido de carbono e água. A descoberta teve implicações significativas para um campo crescente no qual os pesquisadores passaram décadas procurando as melhores reações químicas para produzir altos rendimentos de produtos líquidos a partir de CO₂.

O novo estudo avança este trabalho anterior, demonstrando um eletrocatalisador sintético – as nanopartículas de cobre-prata – que “imita claramente o que as bactérias fazem para produzir produtos líquidos a partir de CO₂“, disse Yang. “Ainda temos muito trabalho a fazer para melhorá-lo, mas estamos entusiasmados com seu potencial para promover a fotossíntese artificial.”

Pesquisadores do Berkeley Lab e da UC Berkeley participaram do estudo.

Este trabalho foi apoiado pelo DOE Office of Science.

A Molecular Foundry é uma instalação do usuário do DOE Office of Science no Berkeley Lab.