Potencialmente produzindo carbono

Universidade de Hong Kong

imagem: Estrutura do sistema de cromatóforos esféricos artificiais e estudo de seu mecanismo. Imagem adaptada de Nature Catalysis, 2023, doi:10.1038/s41929-023-00962-zVeja mais

Crédito: Universidade de Hong Kong

A conversão de energia solar em combustíveis neutros em carbono é uma abordagem promissora para reduzir nossa dependência de combustíveis fósseis e combater as mudanças climáticas. Tomando exemplos da natureza, plantas e outros organismos fotossintéticos usam a luz solar para criar compostos ricos em energia a partir de água e dióxido de carbono (CO2) por meio de um processo bioquímico complexo que ocorre dentro de estruturas especializadas chamadas cloroplastos. No entanto, a eficiência desse processo natural é limitada pela via metabólica que tem uma eficácia reflexivamente baixa na conversão da luz solar em energia útil. Embora os ciclos fotocatalíticos artificiais tenham demonstrado eficiências intrínsecas mais altas, eles normalmente dependem de CO2 puro ou altamente concentrado e mídia orgânica para evitar a degradação do catalisador causada por água ou prótons.

Equipes de pesquisa lideradas pelo Professor David Lee PHILLIPS do Departamento de Química da Universidade de Hong Kong (HKU), Professor Lili DU da Universidade de Jiangsu (HKU PhD Alumna), Professor Ruquan YE da Universidade da Cidade de Hong Kong e Professor Jia TIAN da o Instituto de Química Orgânica de Xangai desenvolveu um sistema notável e ecologicamente correto que pode efetivamente aproveitar a energia da luz para o processo fotocatalítico. Este sistema artificial é altamente estável e reciclável, e não depende de metais preciosos, tornando-o economicamente mais viável e sustentável. Os resultados da pesquisa foram recentemente publicados online na principal revista científica Nature Catalysis.

Antecedentes e Conquistas Na natureza, os organismos usam um processo chamado 'automontagem hierárquica' para otimizar a colheita de luz. Durante o processo, eles organizam componentes fotocatalíticos dentro de um ambiente personalizado fornecido por andaimes à base de lipídios ou proteínas. Ao alcançar alta estabilidade, seletividade e eficiência, a fotossíntese depende da alta área de superfície e do controle espacial preciso de moléculas cromóforas e centros catalíticos por meio da automontagem, que oferece um princípio de design para sistemas fotocatalíticos artificiais altamente eficientes.

Estudos recentes têm demonstrado o uso de vesículas e micelas formadas pela co-montagem de lipídios naturais ou surfactantes sintéticos com espécies fotocatalíticas. Essas estruturas atuam como microrreatores, mimetizando o ambiente das membranas celulares. No entanto, replicar os supercomplexos de captação de luz natural por meio de vias sintéticas é difícil de implementar e está longe de ser econômico.

Com total reconhecimento pelos esforços e desafios atuais, a equipe da HKU e seus colaboradores projetaram um sistema cromatóforo esférico artificial de automontagem em água inspirado no aparato fotossintético de Rhodobacter sphaeroides, um tipo de bactéria comumente encontrada no solo e água doce, que tem uma estrutura especial chamada 'cromatóforo esférico coletor de luz'. Essa estrutura atua como um sensor de luz e possui uma capacidade notável de transferir eficientemente a energia da luz solar por meio de um efeito único chamado 'efeito antena esférica', criado por arranjos circulares de moléculas específicas na superfície do cromatóforo. Isso permite que as bactérias capturem e utilizem a luz solar de forma eficaz para suas necessidades de energia.

Este sistema artificial imita o cromatóforo esférico de colheita de luz da bactéria e consiste em minúsculas estruturas esféricas chamadas nanomicelas que são automontadas em soluções aquosas. Essas nanomicelas servem como os blocos de construção do sistema. O sistema utiliza moléculas modificadas e compostos absorvedores de luz conhecidos como 'anfifílicos de Zn porfirina reforçados com ligadores de aramida', que interagem com um catalisador de Co por meio de forças eletrostáticas, levando a uma montagem hierárquica única. Portanto, essa montagem é induzida pelo 'efeito antena esférica' e aprimora o sistema para capturar e liberar energia para processos fotocatalíticos.