A integração de nanomateriais com moléculas absorventes de luz potencia a produção de hidrogénio a partir da água e do sol

Em linha com o esgotamento dos combustíveis fósseis e os problemas ambientais que o nosso planeta enfrenta devido à sua combustão, o desenvolvimento de tecnologia para a geração de energia limpa é um tema de interesse global. Entre os vários métodos propostos para a geração de energia limpa, a divisão fotocatalítica da água está se mostrando muito promissora. Este método utiliza a energia solar para dividir moléculas de água (H2O) e obter dihidrogênio (H2). O H2 pode então ser usado como combustível livre de carbono ou como matéria-prima na produção de muitos produtos químicos importantes.

Agora, uma equipe de pesquisa liderada por Kazuhiko Maeda na Tokyo Tech desenvolveu um novo fotocatalisador composto por folhas de óxido metálico em nanoescala e uma molécula de corante de ruténio, que funciona de acordo com um mecanismo semelhante ao das células solares sensibilizadas por corantes. Enquanto os óxidos metálicos que são fotocatalíticamente ativos para a divisão geral da água em H2 e O2 têm grandes aberturas de banda, os óxidos fotossensibilizados podem utilizar a luz visível, o principal componente da luz solar (Figura 1). O novo fotocatalisador é capaz de gerar H2 a partir da água com uma freqüência de rotação de 1960 por hora e um rendimento quântico externo de 2,4%.

Estes resultados são os mais elevados registados para fotocatalisadores sensibilizados a corantes sob luz visível, aproximando a equipa da Maeda do objectivo da fotossíntese artificial — replicando o processo natural de utilização de água e luz solar para produzir energia de forma sustentável.

O novo material, relatado no Journal of the American Chemical Society, é construído a partir de nanoquetas de niobato de cálcio de alta área de superfície (HCa2Nb3O10) intercaladas com nanoclusters de platina (Pt) como locais de evolução de H2. No entanto, as nanoheets modificadas de platina não funcionam sozinhas, uma vez que não absorvem a luz solar de forma eficiente. Assim, uma molécula de corante de ruténio absorvente de luz visível é combinada com a nano folha, permitindo a evolução de H2 movida a energia solar (Figura 2).

O que torna o material eficiente é o uso de nano folhas, que podem ser obtidas por esfoliação química de HCa2Nb3O10 lamelar. A alta área de superfície e a flexibilidade estrutural das nanohetas maximizam a carga de corantes e a densidade dos locais de evolução do H2, o que, por sua vez, melhora a eficiência da evolução do H2. Além disso, para optimizar o desempenho, a equipa da Maeda modificou as nanohetas com alumina amorfa, o que desempenha um papel importante na melhoria da eficiência da transferência de electrões. “Sem precedentes, a modificação de alumina para nanohetas promove a regeneração de corantes durante a reacção, sem impedir a injecção de electrões do corante de estado excitado para a nanoheta ¬- o passo primário da evolução do H2 sensibilizado por corantes”, diz Maeda.

“Até há pouco tempo, era considerado muito difícil conseguir a evolução do H2 através da divisão geral da água sob luz visível utilizando um fotocatalisador sensibilizado por corantes com alta eficiência”, explica Maeda. “O nosso novo resultado demonstra claramente que isto é de facto possível, utilizando um híbrido molécula-nanomaterial cuidadosamente concebido”.

Mais pesquisa ainda precisa ser feita, pois será necessário otimizar ainda mais o design do fotocatalisador híbrido para melhorar a eficiência e a durabilidade a longo prazo. O fotocatalisador pode ser um meio crucial para satisfazer as necessidades energéticas da sociedade sem prejudicar ainda mais o ambiente, e estudos como este são passos essenciais para atingirmos o nosso objectivo de um futuro mais verde.