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À medida que o mundo enfrenta uma demanda crescente por fontes de energia limpas e sustentáveis, os cientistas estão se voltando para o poder da fotossíntese em busca de inspiração. Com o objetivo de desenvolver novas técnicas ecologicamente corretas para produzir combustível de hidrogênio de queima limpa, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Rochester está embarcando em um projeto inovador para imitar o processo natural da fotossíntese usando bactérias para fornecer elétrons a um fotocatalisador semicondutor nanocristal. .
Em artigo publicado na revista PNASKara Bren, professora Richard S. Eisenberg em Química em Rochester, e Todd Krauss, professor de química, demonstram que as bactérias Shewanella oneidensisoferecem uma maneira efetivamente gratuita, mas eficiente, de fornecer elétrons ao seu sistema de fotossíntese artificial. Ao alavancar as propriedades únicas desses microrganismos junto com os nanomateriais, o sistema tem o potencial de substituir as abordagens atuais que derivam o hidrogênio de combustíveis fósseis, revolucionando a forma como o combustível de hidrogênio é produzido e liberando uma poderosa fonte de energia renovável.
“O hidrogênio é definitivamente um combustível de grande interesse para o DOE agora”, diz Bren. “Se pudermos descobrir uma maneira de extrair hidrogênio da água com eficiência, isso poderá levar a um crescimento incrível da energia limpa”.
‘Um combustível ideal’
O hidrogênio é “um combustível ideal”, diz Bren, “porque é ecologicamente correto e uma alternativa livre de carbono aos combustíveis fósseis”.
O hidrogênio é o elemento mais abundante no universo e pode ser produzido a partir de uma variedade de fontes, incluindo água, gás natural e biomassa. Ao contrário dos combustíveis fósseis, que produzem gases de efeito estufa e outros poluentes, quando o hidrogênio é queimado, o único subproduto é o vapor de água. O combustível de hidrogênio também possui uma alta densidade de energia, o que significa que contém muita energia por unidade de peso. Ele pode ser usado em uma variedade de aplicações, incluindo células de combustível, e pode ser feito em escalas pequenas e grandes, tornando-o viável para tudo, desde o uso doméstico até a fabricação industrial.
Os desafios do uso do hidrogênio
Apesar da abundância de hidrogênio, praticamente não há hidrogênio puro na Terra; quase sempre está ligado a outros elementos, como carbono ou oxigênio, em compostos como hidrocarbonetos e água. Para usar o hidrogênio como fonte de combustível, ele deve ser extraído desses compostos.
Os cientistas historicamente extraíram hidrogênio de combustíveis fósseis ou, mais recentemente, da água. Para alcançar o último, há um grande impulso para empregar a fotossíntese artificial.
Durante a fotossíntese natural, as plantas absorvem a luz solar, que usam para alimentar reações químicas para converter dióxido de carbono e água em glicose e oxigênio. Em essência, a energia luminosa é convertida em energia química que alimenta o organismo.
Da mesma forma, a fotossíntese artificial é um processo de conversão de matéria-prima abundante e luz solar em um combustível químico. Os sistemas que imitam a fotossíntese requerem três componentes: um absorvedor de luz, um catalisador para produzir o combustível e uma fonte de elétrons. Esses sistemas são normalmente submersos em água e uma fonte de luz fornece energia ao absorvedor de luz. A energia permite que o catalisador combine os elétrons fornecidos com os prótons da água circundante para produzir gás hidrogênio.
A maioria dos sistemas atuais, no entanto, depende de combustíveis fósseis durante o processo de produção ou não possui uma maneira eficiente de transferir elétrons.
“A forma como o combustível de hidrogênio é produzido agora efetivamente o torna um combustível fóssil”, diz Bren. “Queremos obter hidrogênio da água em uma reação impulsionada pela luz para que tenhamos um combustível verdadeiramente limpo – e fazê-lo de forma que não usemos combustíveis fósseis no processo”.
Sistema exclusivo de Rochester
O grupo de Krauss e o grupo de Bren trabalham há cerca de uma década para desenvolver um sistema eficiente que emprega fotossíntese artificial e utiliza nanocristais semicondutores para absorvedores de luz e catalisadores.
Um desafio que os pesquisadores enfrentaram foi descobrir uma fonte de elétrons e transferir eficientemente os elétrons do doador de elétrons para os nanocristais. Outros sistemas usaram ácido ascórbico, comumente conhecido como vitamina C, para entregar elétrons de volta ao sistema. Embora a vitamina C possa parecer barata, “você precisa de uma fonte de elétrons quase gratuita ou o sistema se torna muito caro”, diz Krauss.
Em seu artigo, Krauss e Bren relatam um improvável doador de elétrons: bactérias. Eles descobriram que Shewanella oneidensisbactérias coletadas pela primeira vez no Lago Oneida, no interior do estado de Nova York, oferece uma maneira efetivamente gratuita, mas eficiente, de fornecer elétrons ao seu sistema.
Enquanto outros laboratórios combinaram nanoestruturas e bactérias, “todos esses esforços estão tirando elétrons dos nanocristais e colocando-os nas bactérias, usando o maquinário bacteriano para preparar combustíveis”, diz Bren. “Até onde sabemos, o nosso é o primeiro caso a seguir o caminho oposto e usar a bactéria como fonte de elétrons para um catalisador de nanocristal.”
Quando as bactérias crescem em condições anaeróbicas – condições sem oxigênio – elas respiram substâncias celulares como combustível, liberando elétrons no processo. Shewanella oneidensis pode pegar elétrons gerados por seu próprio metabolismo interno e doá-los ao catalisador externo.
Um combustível do futuro
Bren prevê que, no futuro, casas individuais poderiam ter cubas e tanques subterrâneos para aproveitar a energia do sol para produzir e armazenar pequenos lotes de hidrogênio, permitindo que as pessoas abastecessem suas casas e carros com combustível barato e de queima limpa. Bren observa que atualmente existem trens, ônibus e carros movidos a células de combustível de hidrogênio, mas quase todo o hidrogênio disponível para alimentar esses sistemas vem de combustíveis fósseis.
“A tecnologia está lá fora”, diz ela, “mas até que o hidrogênio venha da água em uma reação impulsionada pela luz – sem o uso de combustíveis fósseis – não está realmente ajudando o meio ambiente”.
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