Folha artificial produz combustível líquido a partir de dióxido de carbono

A ideia da fotossíntese artificial é atraente: dispositivos que podem absorver a luz solar e o dióxido de carbono e, na presença de água, produzir combustíveis. Os projetos evoluíram de sistemas em 2011 que separam a água para produzir combustíveis de hidrogênio para sistemas mais recentes e complexos que visam reduzir o dióxido de carbono usando-o para criar combustíveis à base de carbono.

Mas tem sido lento. Os pesquisadores, ao longo dos anos, conseguiram criar sistemas que produzem hidrogênio com eficiência e, mais recentemente, criaram um sistema que pode produzir gás de síntese, que é uma mistura de monóxido de carbono e hidrogênio usado para fabricar outros produtos como o metanol. Mas um dispositivo que pode produzir diretamente combustíveis líquidos úteis iludiu os pesquisadores, até agora.

Pesquisadores da Universidade de Cambridge criaram a primeira folha artificial que pode converter dióxido de carbono nos combustíveis líquidos propanol e etanol. Enquanto outros já demonstraram a conversão de dióxido de carbono em combustíveis por eletricidade antes, o novo trabalho relatado na revista Nature Energy é um avanço importante no uso da luz solar para produzir diretamente combustíveis limpos e úteis a partir do dióxido de carbono em uma única etapa.

Cientistas de todo o mundo estão tentando produzir combustíveis solares como uma forma de engarrafar a energia do sol para uso posterior e de remover as emissões de dióxido de carbono da atmosfera. A fotossíntese artificial se enquadra nessa ampla categoria e pode ser alcançada usando várias abordagens. Uma delas é a fotocatálise, na qual a luz do sol incide diretamente sobre um catalisador movido a luz, como o dióxido de titânio, que desencadeia as reações químicas para reduzir o dióxido de carbono e dividir a água.

Em vez disso, a equipe de Cambridge adotou uma abordagem fotoeletroquímica, explica Motiar Rahaman, membro da equipe e pesquisador de química em Cambridge. Essa abordagem envolve uma célula com fotoeletrodos semicondutores que absorvem a luz solar e produzem eletricidade, que alimenta uma reação química impulsionada por um catalisador. Em 2019, o professor de química de Cambridge, Erwin Reisner, e seus colegas criaram o primeiro dispositivo de folha artificial, que produziu gás de síntese, seguido em 2022 com uma versão flutuante leve de tal dispositivo.

Cada um desses dispositivos possui um cátodo composto por uma perovskita fotovoltaica e um catalisador de cobalto, e um ânodo feito do fotocatalisador vanadato de bismuto. Quando o dispositivo é imerso em água, o vanadato de bismuto absorve a luz solar e desencadeia o processo de divisão da água no ânodo. Enquanto isso, no cátodo, a perovskita gera eletricidade, que aciona o catalisador de cobalto para reduzir o dióxido de carbono e produzir gás de síntese.

Rahaman, Reisner e a equipe agora atualizaram o dispositivo com um catalisador especial que eles formularam, o que permite que o dispositivo produza álcoois multicarbonados em vez de gás de síntese. O cobre é o único metal conhecido que pode formar produtos multicarbonados a partir do dióxido de carbono, diz Rahaman, mas o processo requer muita energia. Assim, os pesquisadores o doparam com paládio para fazer um catalisador bimetálico de cobre-paládio que "faz esse trabalho em baixo potencial, necessitando de baixa energia".

Uma folha artificial é testada ao ser submetida à irradiação solar dentro de um fotorreator. Motiar Rahaman

O dispositivo é ativado e começa a produzir os álcoois – com uma proporção de um para um de propanol para etanol – quase imediatamente quando imerso em água sob a luz solar. Os pesquisadores deixaram a reação em laboratório por 20 horas e depois separaram o álcool do reator.

Ainda está no estágio inicial, diz Rahaman, e o dispositivo é minúsculo - apenas 5 milímetros de lado. Produz apenas microlitros de álcool por centímetro quadrado de área. Mas a equipe está trabalhando para melhorar a eficiência do dispositivo, otimizando os materiais absorvedores de luz para colher mais luz solar e ajustando o catalisador para converter mais dióxido de carbono em combustível. Eles também planejam ampliar o dispositivo para que ele possa produzir volumes maiores de combustível.

“O aparelho ainda é pequeno porque acabamos de inventar a tecnologia”, afirma. "Agora estamos obtendo álcoois em quantidades de microlitros. Mas inventamos a ciência. Agora será um esforço técnico de engenharia para chegar a uma escala maior. Se aumentarmos a área de superfície, a quantidade de produto aumentará."