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Encontrar combustíveis sustentáveis e limpos é crucial na atual crise global de energia e clima. Um candidato promissor que ganha cada vez mais relevância é o hidrogênio. No entanto, a produção industrial de hidrogênio de hoje ainda tem um considerável CO2 pegada, especialmente considerando processos como reforma a vapor ou eletrólise não sustentável.
Uma equipe liderada pelo Prof. Dominik Eder do Instituto de Química de Materiais (TU Wien) está, portanto, focada no desenvolvimento de processos ecologicamente corretos para a obtenção de hidrogênio, por exemplo, por fotocatálise. Este processo permite a conversão de moléculas de água em hidrogênio auxiliado por nada além de luz e um catalisador. Por meio desse processo, a energia abundante e limpa do sol pode ser armazenada nas ligações químicas desse chamado combustível solar. Recentemente, os resultados foram publicados na revista científical Materiais Energéticos Avançados.
Novos fotocatalisadores
Ao produzir hidrogênio verde por fotocatálise, o catalisador desempenha um papel crucial. Ao contrário dos catalisadores industriais, um fotocatalisador utiliza a energia da luz para facilitar a divisão da água à temperatura ambiente e à pressão ambiente. Entre os candidatos mais promissores estão os frameworks metal-orgânicos, os chamados MOFs. Eles são compostos de unidades de construção inorgânicas moleculares mantidas juntas por moléculas de ligantes orgânicos. Juntos, eles formam redes 3D altamente porosas que possuem uma área de superfície excepcionalmente grande e excelentes propriedades de separação de carga.
No entanto, a maioria dos MOFs só são ativos sob irradiação de luz ultravioleta, razão pela qual a comunidade altera os compostos orgânicos para torná-los capazes de absorver a luz visível. No entanto, essas modificações têm uma influência negativa na mobilidade dos elétrons. Outra limitação diz respeito à extração de carga, onde os elétrons são liberados do material: “Embora os MOFs sejam realmente ótimos para separar portadores de carga nas interfaces orgânico-inorgânicas, sua extração eficiente para uso catalítico continua sendo um desafio”, explica Dominik Eder.
Recentemente, MOFs com estruturas em camadas chamaram muita atenção para uso em aplicações optoeletrônicas, pois exibem propriedades de extração de carga muito melhoradas. “Você pode imaginar essas estruturas em camadas como um Manner Schnitte, onde o waffle é a parte inorgânica e o chocolate é o ligante orgânico que os mantém juntos”, ilustra Pablo Ayala, principal autor do estudo. “Você só precisa tornar a parte do waffle condutiva.”
Desafios na divisão da água
Em contraste com os 3D-MOFs, um MOF em camadas geralmente não é poroso, o que reduz a área cataliticamente ativa para a superfície externa das partículas. “Portanto, tivemos que encontrar uma maneira de tornar essas partículas as menores possíveis”, explica Eder. No entanto, a nanoestruturação de materiais é frequentemente acompanhada pela introdução de defeitos estruturais. Estes podem atuar como armadilhas de carga e retardar a extração de cargas. “Ninguém gosta de um Manner Schnitte com chocolate faltando”, Ayala prossegue com sua comparação. “No caso da fotocatálise, também precisamos do melhor material possível que possa ser produzido.”
Portanto, a equipe de Dominik Eder desenvolveu uma nova rota de síntese na qual até mesmo as menores estruturas cristalinas podem ser produzidas sem defeitos. Isso foi alcançado em colaboração com universidades locais e internacionais. Os novos MOFs em camadas são baseados em titânio e têm uma forma cúbica de apenas alguns nanômetros de tamanho. O material já conseguiu atingir valores recordes na produção fotocatalítica de hidrogênio sob a influência da luz visível.
Auxiliado por simulações de computador realizadas no Technion em Israel, a equipe foi capaz de desvendar o mecanismo de reação subjacente e demonstrou duas coisas: primeiro, que a natureza em camadas do MOF é de fato a chave para a separação e extração eficientes de carga. Em segundo lugar, os defeitos de ligantes ausentes atuam como armadilhas de carga indesejadas que precisam ser evitadas tanto quanto possível para melhorar o desempenho fotocatalítico do material.
O grupo de pesquisa está atualmente projetando novos MOFs em camadas e explorando-os para várias aplicações de energia.
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