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Com um novo polímero que atrai apenas certas substâncias de soluções quando ativado eletricamente, os pesquisadores deram um grande passo em direção à separação química sustentável.
Uma equipe da Universidade de Illinois Urbana-Champaign relatou a primeira demonstração de separação eletroquímica seletiva conduzida por ligação de halogênio no periódico JACS Au. Isso foi alcançado pela engenharia de um polímero que modula a densidade de carga em um átomo de halogênio quando a eletricidade é aplicada. O polímero então atrai apenas certos alvos — como haletos, oxiânions e até mesmo moléculas orgânicas — de soluções orgânicas, uma característica que tem implicações importantes para produtos farmacêuticos e processos de síntese química.
“A separação química é como fazer uma esponja que absorve apenas o produto químico que você quer de uma mistura”, disse Xiao Su, professor de engenharia química e biomolecular e líder do projeto. “Embora a separação eletroquímica seja usada em alguns contextos, pode ser bastante desafiador garantir que ela absorva apenas o que é necessário. Neste trabalho, fizemos uma ‘esponja elétrica’ no nível molecular que seleciona apenas componentes específicos de misturas.”
Em ambientes industriais, a separação química é frequentemente obtida por meio de processos baseados em calor ou filtração por membrana, mas esses métodos criam desperdício de material. Alternativas baseadas em mecanismos eletroquímicos minimizariam o desperdício e se beneficiariam de fontes sustentáveis de eletricidade. Embora tais mecanismos já sejam usados em aplicações como dessalinização, eles são indiscriminados nas substâncias que atraem.
Os pesquisadores alcançaram a separação elétrica seletiva com uma interação química chamada ligação de halogênio, na qual uma molécula alvo é atraída para um polímero doador de halogênio redox-responsivo pela forte carga positiva parcial no átomo de halogênio, chamada de “buraco sigma”. A equipe explorou essa interação projetando um polímero contendo um átomo de iodo halogênio e ferroceno, um centro redox ativo que modula a força de ligação do iodo quando eletricidade externa é aplicada. O buraco sigma do iodo é ligado quando o ferroceno oxida, criando uma forte carga positiva que atrai íons carregados negativamente.
“A ligação de halogênio é uma área bem estudada, ainda que de nicho, da química fundamental, mas nossa equipe é a primeira a pegar o conceito e usá-lo para desenvolver uma ‘esponja’ funcional”, disse Nayeong Kim, um aluno de pós-graduação no grupo de pesquisa de Su e o principal autor do estudo. “A força da ligação de halogênio é o que permite a seletividade, uma vez que seleciona íons que têm alta afinidade com o átomo de halogênio.”
O grupo de pesquisa de Su projetou o polímero redox-ativo e então o testou em várias soluções orgânicas. Após descobrir que o polímero poderia de fato selecionar íons específicos de uma mistura, a presença de ligação de halogênio foi confirmada usando experimentos de ressonância magnética nuclear e espalhamento Raman. O grupo de Su colaborou com o professor de engenharia química e biomolecular Alex Mironenko, que liderou investigações computacionais do polímero para entender os mecanismos subjacentes na ativação do centro redox.
“Agora que demonstramos a separação eletroquímica molecular, os próximos passos envolverão refinar e dimensionar o processo”, disse Su. “Isso inclui explorar estratégias de escalonamento, como o modelo em cascata, para aumentar a pureza do produto final, projetar um sistema de eletrossorção contínua e, então, estudar o processo fora das condições de laboratório.”
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