“Se quisermos construir uma economia circular e sustentável, a indústria química é um grande e complexo problema que precisamos abordar,” afirmou o professor Erwin Reisner do Departamento de Química Yusuf Hamied da Universidade de Cambridge, que liderou a pesquisa. “Precisamos encontrar maneiras de descarbonizar esse setor importante, que produz tantos produtos essenciais que todos precisamos. É uma grande oportunidade se conseguirmos fazer isso direito.”
Agora, uma equipe liderada pela Universidade de Cambridge está explorando abordagens inovadoras que poderiam, eventualmente, “descarbonizar” essa indústria vital.
Essa descoberta envolve um dispositivo híbrido que combina polímeros orgânicos que absorvem luz e enzimas bacterianas para transformar luz solar, água e dióxido de carbono em formiato, um combustível limpo que pode impulsionar reações químicas adicionais.
Esta “folha semi-artificial” replica a fotossíntese, o processo natural que as plantas utilizam para transformar a luz solar em energia, e opera totalmente com sua própria energia. Ao contrário de designs anteriores que dependiam de absorvedores de luz tóxicos ou instáveis, este novo modelo bio-híbrido utiliza materiais não tóxicos, funciona de maneira mais eficiente e permanece estável sem aditivos adicionais.
Em testes de laboratório, a equipe usou com sucesso a luz solar para converter dióxido de carbono em formiato e, em seguida, aplicou-o diretamente em uma reação de “domino” para sintetizar um composto valioso usado em produtos farmacêuticos, alcançando alta produtividade e pureza.
Segundo os resultados publicados na Joule, esta é a primeira vez que semicondutores orgânicos servem como componente captador de luz em um sistema bio-híbrido, abrindo caminho para uma nova geração de folhas artificiais ecológicas.
A indústria química continua a ser a base da economia global, produzindo uma vasta gama de bens—de medicamentos e fertilizantes a plásticos, tintas, eletrônicos, agentes de limpeza e produtos de higiene pessoal.
“Se quisermos construir uma economia circular e sustentável, a indústria química é um grande e complexo problema que precisamos abordar,” afirmou o professor Erwin Reisner do Departamento de Química Yusuf Hamied da Universidade de Cambridge, que liderou a pesquisa. “Precisamos encontrar maneiras de descarbonizar esse setor importante, que produz tantos produtos essenciais que todos precisamos. É uma grande oportunidade se conseguirmos fazer isso direito.”
O grupo de pesquisa de Reisner é especializado no desenvolvimento de folhas artificiais, que transformam luz solar em combustíveis e produtos químicos à base de carbono sem depender de combustíveis fósseis. No entanto, muitos de seus designs anteriores dependem de catalisadores sintéticos ou semicondutores inorgânicos, que se degradam rapidamente, desperdiçam grande parte do espectro solar ou contêm elementos tóxicos como o chumbo.
“Se pudermos remover os componentes tóxicos e começar a usar elementos orgânicos, teremos uma reação química limpa e um único produto final, sem reações colaterais indesejadas,” disse a co-primeira autora Dr. Celine Yeung, que completou a pesquisa como parte do seu trabalho de doutorado no laboratório de Reisner. “Este dispositivo combina o melhor de dois mundos – os semicondutores orgânicos são ajustáveis e não tóxicos, enquanto os biocatalisadores são altamente seletivos e eficientes.”
O novo dispositivo integra semicondutores orgânicos com enzimas de bactérias redutoras de sulfato, dividindo a água em hidrogênio e oxigênio ou convertendo dióxido de carbono em formiato.
Os pesquisadores também abordaram um desafio de longa data: a maioria dos sistemas requer aditivos químicos, conhecidos como tamponantes, para manter as enzimas em funcionamento. Esses aditivos podem se degradar rapidamente e limitar a estabilidade. Ao incorporar uma enzima auxiliar, a anidrase carbônica, em uma estrutura porosa de titania, os pesquisadores permitiram que o sistema funcionasse em uma solução simples de bicarbonato — semelhante à água com gás — sem aditivos insustentáveis.
“É como um grande quebra-cabeça,” disse o co-primeiro autor Dr. Yongpeng Liu, um pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Reisner. “Temos todos esses diferentes componentes que estamos tentando unir para um único propósito. Levou um tempo para descobrir como essa enzima específica é imobilizada em um eletrodo, mas agora estamos começando a ver os frutos desses esforços.”
“Ao realmente estudar como a enzima funciona, conseguimos projetar com precisão os materiais que compõem as diferentes camadas de nosso dispositivo em forma de sanduíche,” disse Yeung. “Esse design fez com que as partes trabalhassem juntas de maneira mais eficaz, desde a escala nano até a folha artificial completa.”
Testes mostraram que a folha artificial produziu altas correntes e alcançou quase 100% de eficiência na direção de elétrons para reações de produção de combustível. O dispositivo funcionou com sucesso por mais de 24 horas: mais do que o dobro do tempo de designs anteriores.
Os pesquisadores esperam desenvolver ainda mais seus designs para estender a vida útil do dispositivo e adaptá-lo para que possa produzir diferentes tipos de produtos químicos.
“Mostramos que é possível criar dispositivos movidos a energia solar que são não apenas eficientes e duráveis, mas também isentos de componentes tóxicos ou insustentáveis,” disse Reisner. “Isso poderia ser uma plataforma fundamental para a produção de combustíveis e produtos químicos verdes no futuro – é uma verdadeira oportunidade para fazer uma química empolgante e importante.”
A pesquisa foi apoiada em parte pela Agência de Ciência, Tecnologia e Pesquisa de Singapura (A*STAR), pelo Conselho Europeu de Pesquisa, pela Fundação Nacional Suíça de Ciência, pela Royal Academy of Engineering e pela Pesquisa e Inovação do Reino Unido (UKRI). Erwin Reisner é membro do St John’s College, Cambridge. Celine Yeung é membro do Downing College, Cambridge.