À medida que o mundo enfrenta uma procura crescente por fontes de energia limpas e sustentáveis, os cientistas recorrem ao poder da fotossíntese em busca de inspiração.
Por Universidade de Rochester com informações de Science Daily.
Com o objetivo de desenvolver novas técnicas ecológicas 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 de fotossíntese usando bactérias para fornecer elétrons a um fotocatalisador semicondutor nanocristalino.
Em um artigo publicado na revista PNAS , Kara Bren, professora de química Richard S. Eisenberg em Rochester, e Todd Krauss, professor de química, demonstram que a bactéria Shewanella oneidensis oferece uma maneira efetivamente livre, mas eficiente, de fornecer elétrons para seu sistema de fotossíntese artificial. Ao aproveitar as propriedades únicas destes microrganismos juntamente 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 hidrogênio combustível é produzido e revelando uma poderosa fonte de energia renovável.
“O hidrogénio é definitivamente um combustível de grande interesse para o DOE neste momento”, diz Bren. “Se conseguirmos descobrir uma forma de extrair eficientemente o hidrogênio da água, 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 diversas fontes, incluindo água, gás natural e biomassa. Ao contrário dos combustíveis fósseis, que produzem gases com efeito de estufa e outros poluentes, quando o hidrogênio é queimado, o único subproduto é o vapor de água. O combustível de hidrogênio também possui alta densidade energética, o que significa que contém muita energia por unidade de peso. Ele pode ser usado em diversas aplicações, incluindo células de combustível, e pode ser fabricado em pequena e grande escala, tornando-o viável para tudo, desde uso doméstico até fabricação industrial.
Os desafios do uso do hidrogênio
Apesar da abundância de hidrogênio, praticamente não existe 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.
Historicamente, os cientistas extraíram hidrogênio de combustíveis fósseis ou, mais recentemente, da água. Para conseguir este último, há um grande impulso para empregar a fotossíntese artificial.
Durante a fotossíntese natural, as plantas absorvem a luz solar, que utilizam 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 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, entretanto, depende de combustíveis fósseis durante o processo de produção ou não possui uma forma eficiente de transferir elétrons.
“A forma como o combustível de hidrogénio é produzido agora torna-o efetivamente num combustível fóssil”, diz Bren. “Queremos obter hidrogênio da água numa reação impulsionada pela luz, para que tenhamos um combustível verdadeiramente limpo – e fazê-lo de uma forma que não utilizemos combustíveis fósseis no processo.”
O sistema único 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 que seja quase gratuita ou o sistema se tornará muito caro”, diz Krauss.
Em seu artigo, Krauss e Bren relatam um improvável doador de elétrons: bactérias. Eles descobriram que Shewanella oneidensis, bactéria coletada pela primeira vez no Lago Oneida, no norte do estado de Nova York, oferece uma maneira efetivamente gratuita, mas eficiente, de fornecer elétrons ao seu sistema.
Embora outros laboratórios tenham combinado nanoestruturas e bactérias, “todos esses esforços estão retirando elétrons dos nanocristais e colocando-os nas bactérias, usando então a maquinaria bacteriana para preparar combustíveis”, diz Bren. “Até onde sabemos, o nosso caso é o primeiro a seguir o caminho oposto e usar a bactéria como fonte de elétrons para um catalisador 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, as casas individuais poderão potencialmente ter cubas e tanques subterrâneos para aproveitar a energia do sol para produzir e armazenar pequenos lotes de hidrogênio, permitindo que as pessoas abasteçam as suas casas e carros com combustível barato e de queima limpa. Bren observa que atualmente existem trens, ônibus e carros movidos por células de combustível de hidrogênio, mas quase todo o hidrogênio disponível para alimentar esses sistemas vem de combustíveis fósseis.
“A tecnologia existe”, diz ela, “mas até que o hidrogênio venha da água numa reacção impulsionada pela luz – sem utilizar combustíveis fósseis – não estará realmente ajudando o meio ambiente”.
Fonte da história:
Materiais fornecidos pela Universidade de Rochester. Original escrito por Lindsey Valich. Nota: O conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e comprimento.
Referência do periódico :
Emily H. Edwards, Jana Jelušić, Ryan M. Kosko, Kevin P. McClelland, Soraya S. Ngarnim, Wesley Chiang, Sanela Lampa-Pastirk, Todd D. Krauss, Kara L. Bren. Shewanella oneidensis MR-1 respires CdSe quantum dots for photocatalytic hydrogen evolution. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2023; 120 (17) DOI: 10.1073/pnas.2206975120
