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Uma equipe de pesquisa conjunta da City University of Hong Kong (CityU) e colaboradores desenvolveu recentemente um sistema fotocatalítico artificial estável que é mais eficiente que a fotossíntese natural. O novo sistema imita um cloroplasto natural para converter dióxido de carbono na água em metano, um combustível valioso, de forma muito eficiente usando a luz. Esta é uma descoberta promissora, que pode contribuir para a meta de neutralidade de carbono.
A fotossíntese é o processo pelo qual os cloroplastos em plantas e alguns organismos usam luz solar, água e dióxido de carbono para criar alimentos ou energia. Nas últimas décadas, muitos cientistas tentaram desenvolver processos de fotossíntese artificial para transformar o dióxido de carbono em combustível neutro em carbono.
“No entanto, é difícil converter dióxido de carbono em água porque muitos fotossensibilizadores ou catalisadores se degradam na água”, explicou o professor Ye Ruquan, professor associado do Departamento de Química da CityU, um dos líderes do estudo conjunto. “Embora os ciclos fotocatalíticos artificiais tenham demonstrado operar com maior eficiência intrínseca, a baixa seletividade e estabilidade na água para redução de dióxido de carbono dificultaram suas aplicações práticas.”
No último estudo, a equipe de pesquisa conjunta da CityU, da Universidade de Hong Kong (HKU), da Universidade de Jiangsu e do Instituto de Química Orgânica de Xangai da Academia Chinesa de Ciências superou essas dificuldades usando uma abordagem de montagem supramolecular para criar um composto artificial. sistema fotossintético. Ele imita a estrutura dos cromatóforos coletores de luz de uma bactéria roxa (ou seja, células que contêm pigmento), que são muito eficientes na transferência de energia do sol.
O núcleo do novo sistema fotossintético artificial é uma nanomicela artificial altamente estável – um tipo de polímero que pode se auto-montar na água, com uma extremidade que ama a água (hidrofílica) e outra que teme a água (hidrofóbica). A cabeça hidrofílica da nanomicela funciona como um fotossensibilizador para absorver a luz solar, e sua cauda hidrofóbica atua como um indutor para a automontagem. Quando é colocado na água, as nanomicelas se automontam devido à ligação de hidrogênio intermolecular entre as moléculas de água e as caudas. A adição de um catalisador de cobalto resulta na produção de hidrogênio fotocatalítico e redução de dióxido de carbono, resultando na produção de hidrogênio e metano.
Usando técnicas avançadas de imagem e espectroscopia ultrarrápida, a equipe revelou as características atômicas do inovador fotossensibilizador. Eles descobriram que a estrutura especial da cabeça hidrofílica da nanomicela, juntamente com a ligação de hidrogênio entre as moléculas de água e a cauda da nanomicela, a tornam um fotossensibilizador artificial estável e compatível com a água, resolvendo o problema convencional de instabilidade e incompatibilidade de água da fotossíntese artificial. A interação eletrostática entre o fotossensibilizador e o catalisador de cobalto, e o forte efeito de antena coletora de luz da nanomicela melhoraram o processo fotocatalítico.
No experimento, a equipe descobriu que a taxa de produção de metano era superior a 13.000 μmol h−1 g−1, com um rendimento quântico de 5,6% em 24 horas. Também alcançou uma taxa de eficiência solar para combustível altamente eficiente de 15%, superando a fotossíntese natural.
Mais importante ainda, o novo sistema fotocatalítico artificial é economicamente viável e sustentável, pois não depende de metais preciosos caros. “A automontagem hierárquica do sistema oferece uma estratégia promissora de baixo para cima para criar um sistema fotocatalítico artificial de alto desempenho e controlado com precisão, baseado em elementos baratos e abundantes na Terra, como complexos de porfirina de zinco e cobalto”, disse o professor Ye.
O professor Ye disse acreditar que a descoberta mais recente beneficiará e inspirará o design racional de futuros sistemas fotocatalíticos para conversão e redução de dióxido de carbono usando energia solar, contribuindo para a meta de neutralidade de carbono.
O estudo foi apoiado por várias fontes de financiamento, incluindo a Fundação Nacional de Ciências Naturais da China, o Fundo de Pesquisa Básica e Aplicada de Guangdong, o Programa de Ciência e Tecnologia de Shenzhen e o Conselho de Bolsas de Pesquisa de Hong Kong.
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