Nos últimos dois séculos, os humanos confiaram nos combustíveis fósseis para energia concentrada; centenas de milhões de anos de fotossíntese embalados em uma substância conveniente e densa em energia. Mas essa oferta é finita e o consumo de combustível fóssil tem um tremendo impacto negativo no clima da Terra.
Por Louise Lerner, Universidade de Chicago com informações de Phys.
“O maior desafio que muitas pessoas não percebem é que mesmo a natureza não tem solução para a quantidade de energia que usamos”, disse Wenbin Lin, químico da Universidade de Chicago. Nem a fotossíntese é tão boa assim, disse ele: “Teremos que fazer melhor que a natureza, e isso é assustador”.
Uma opção possível que os cientistas estão explorando é a “fotossíntese artificial” – retrabalhar o sistema de uma planta para produzir nossos próprios tipos de combustíveis. No entanto, o equipamento químico de uma única folha é incrivelmente complexo e não é tão fácil de usar para nossos próprios propósitos.
Um estudo da Nature Catalysis de seis químicos da Universidade de Chicago mostra um novo sistema inovador para fotossíntese artificial que é mais produtivo do que os sistemas artificiais anteriores em uma ordem de magnitude. Ao contrário da fotossíntese regular, que produz carboidratos a partir de dióxido de carbono e água, a fotossíntese artificial pode produzir etanol, metano ou outros combustíveis.
Embora tenha um longo caminho a percorrer antes que possa se tornar uma maneira de abastecer seu carro todos os dias, o método oferece aos cientistas uma nova direção a ser explorada – e pode ser útil a curto prazo para a produção de outros produtos químicos.
“Esta é uma grande melhoria nos sistemas existentes, mas tão importante quanto, fomos capazes de estabelecer uma compreensão muito clara de como esse sistema artificial funciona no nível molecular , o que não havia sido realizado antes”, disse Lin, que é o James Franck Professor de Química da Universidade de Chicago e autor sênior do estudo.
‘Vamos precisar de outra coisa’
“Sem a fotossíntese natural, não estaríamos aqui. Ela fez o oxigênio que respiramos na Terra e faz a comida que comemos”, disse Lin. “Mas nunca será eficiente o suficiente para fornecer combustível para nós dirigirmos carros; então precisaremos de outra coisa.”
O problema é que a fotossíntese é construída para criar carboidratos, que são ótimos para nos abastecer, mas não para nossos carros, que precisam de energia muito mais concentrada. Portanto, os pesquisadores que procuram criar alternativas aos combustíveis fósseis precisam reprojetar o processo para criar combustíveis mais densos em energia, como etanol ou metano.
Na natureza, a fotossíntese é realizada por várias montagens muito complexas de proteínas e pigmentos. Eles absorvem água e dióxido de carbono, separam as moléculas e reorganizam os átomos para produzir carboidratos – uma longa cadeia de compostos hidrogênio-oxigênio-carbono. Os cientistas, no entanto, precisam retrabalhar as reações para produzir um arranjo diferente apenas com hidrogênio em torno de um núcleo de carbono suculento – CH 4 , também conhecido como metano.
Essa reengenharia é muito mais complicada do que parece; as pessoas vêm mexendo nisso há décadas, tentando se aproximar da eficiência da natureza.
Lin e sua equipe de laboratório pensaram que poderiam tentar adicionar algo que os sistemas de fotossíntese artificial até agora não incluíam: aminoácidos.
A equipe começou com um tipo de material chamado estrutura metal-orgânica ou MOF, uma classe de compostos formados por íons metálicos mantidos juntos por moléculas orgânicas de ligação. Em seguida, eles projetaram os MOFs como uma única camada, a fim de fornecer a área de superfície máxima para reações químicas, e submergiram tudo em uma solução que incluía um composto de cobalto para transportar elétrons. Finalmente, eles adicionaram aminoácidos aos MOFs e experimentaram para descobrir qual funcionava melhor.
Eles foram capazes de fazer melhorias em ambas as metades da reação: o processo que separa a água e aquele que adiciona elétrons e prótons ao dióxido de carbono. Em ambos os casos, os aminoácidos ajudaram a reação a ser mais eficiente.
Mesmo com o desempenho significativamente melhorado, no entanto, a fotossíntese artificial tem um longo caminho a percorrer antes de poder produzir combustível suficiente para ser relevante para uso generalizado. “Onde estamos agora, seria necessário aumentar em muitas ordens de magnitude para produzir uma quantidade suficiente de metano para nosso consumo”, disse Lin.
A descoberta também pode ser amplamente aplicada a outras reações químicas; você precisa produzir muito combustível para que tenha impacto, mas quantidades muito menores de algumas moléculas, como os materiais de partida para fazer medicamentos e nylons, entre outros, podem ser muito úteis.
“Muitos desses processos fundamentais são os mesmos”, disse Lin. “Se você desenvolver bons produtos químicos, eles podem ser conectados a muitos sistemas.”
Mais informações: Guangxu Lan et al, Biomimetic active sites on monolayered metal-organic frameworks for artificial photosynthesis, Nature Catalysis (2022). DOI: 10.1038/s41929-022-00865-5
