A fotossíntese artificial descodificada
Como o nitreto de carbono divide a água (e pode produzir hidrogénio verde)
Há muito tempo que os investigadores tentam compreender o mecanismo exato da separação da água por catalisadores de nitreto de carbono. O Dr. Paolo Giusto e a sua equipa conseguiram captar passo a passo as interações na interface entre o nitreto de carbono e a água. Documentaram a transferência de protões e electrões da água para o catalisador sob a influência da luz. Esta descoberta constitui uma base crucial para a otimização de materiais catalisadores para a produção eficiente de hidrogénio verde como uma solução sustentável para as energias renováveis.
Na fotossíntese artificial, o nitreto de carbono divide a água em oxigénio e hidrogénio. Esta nova compreensão do mecanismo é crucial para o desenvolvimento de materiais mais eficientes para a produção de hidrogénio verde a partir da luz solar.
© Talha Demir, MPIKG
As plantas utilizam a luz para produzir combustíveis através da fotossíntese - convertem a energia solar em moléculas de açúcar. Com a fotossíntese artificial, os investigadores estão a imitar este processo natural para converter a luz em produtos químicos ricos em energia e, assim, desenvolver fontes de energia sustentáveis. Os nitretos de carbono provaram ser catalisadores eficazes neste processo. Estes compostos de carbono e azoto utilizam a luz para dividir a água nos seus componentes, oxigénio e hidrogénio - e o hidrogénio é considerado uma promissora fonte de energia renovável.
Mas como funciona exatamente a separação da água? Pela primeira vez, os investigadores conseguiram observar todos os passos de uma das reacções mais estudadas, mas menos compreendidas, da última década. "Isto vai para além da resposta a uma questão de longa data na investigação fundamental", sublinha o líder do estudo, Dr. Paolo Giusto, do Instituto Max Planck de Colóides e Interfaces. "A compreensão da forma como as moléculas de água interagem com os nitretos de carbono sob a influência da luz fornece informações fundamentais para o desenvolvimento de tecnologias de energia verde".
A chave para resolver este puzzle científico reside nos processos complexos que ocorrem quando a água adere à superfície do nitreto de carbono. Até agora, as diferentes escalas temporais das reacções envolvidas dificultavam a obtenção de uma imagem completa, o que significava que os investigadores tinham de se basear em cálculos teóricos e em experiências retrospectivas. Utilizando técnicas espectroscópicas modernas, Giusto e a sua equipa conseguiram agora captar a dinâmica do nitreto de carbono.
Os processos decisivos têm lugar na interface - ao nível nanométrico entre o nitreto de carbono sólido e as moléculas de água líquida. O nitreto de carbono transfere a densidade eletrónica para as moléculas de água, criando aquilo a que se chama um sistema híbrido. "A partir deste momento, a água e o catalisador comportam-se como um novo sistema semicondutor híbrido conjunto. É como se formassem uma equipa cujas propriedades diferem significativamente das dos elementos individuais", explica a Dra. Sonia Żółtowska.
A transferência de partículas cria um desequilíbrio que desencadeia outras reacções e enfraquece as ligações químicas da água. O nitreto de carbono absorve a luz e utiliza a sua energia para desestabilizar ainda mais as moléculas de água, o que provoca uma transferência de electrões acoplada ao protão. "Isto significa que um protão de carga positiva e um eletrão de carga negativa são transferidos simultaneamente da água para o catalisador", explica o Dr. Daniel Cruz do Instituto Fritz Haber. Este composto intermédio era a peça que faltava no puzzle da fotossíntese artificial: a equipa registou em tempo real o mecanismo que acaba por dividir a água em oxigénio e hidrogénio.
Esta descoberta no domínio da química das superfícies tem implicações profundas no desenvolvimento de soluções energéticas sustentáveis. Embora a utilização em larga escala do hidrogénio como alternativa aos combustíveis fósseis seja ainda um objetivo para o futuro, este resultado da investigação oferece informações valiosas sobre a otimização dos catalisadores. Este resultado aproxima-nos um passo decisivo da produção eficiente de hidrogénio através da separação da água.
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