Kawanishi, Japão, 15 de novembro de 2022 /PRNewswire/ — Problemas ambientais como mudanças climáticas, esgotamento de recursos naturais, extinção de espécies, poluição por plástico e desmatamento estão se agravando em todo o mundo devido à explosão populacional.
O dióxido de carbono (CO2) é um gás de efeito estufa e uma das principais causas das mudanças climáticas. Nesse sentido, um processo conhecido como “fotorredução artificial (fotorredução de CO2)” pode produzir matéria-prima orgânica para combustíveis e produtos químicos a partir de CO2, água e energia solar, assim como as plantas fazem. Ao mesmo tempo, também reduz as emissões de CO2, já que o CO2 é utilizado como matéria-prima para a produção de energia e recursos químicos. Portanto, a fotossíntese artificial é considerada uma das mais recentes tecnologias verdes.
Os MOFs (Metal Organic Frameworks, ou Estruturas Metalorgânicas) são materiais ultraporosos compostos por aglomerados de metais inorgânicos e ligantes orgânicos. Eles podem ser controlados em nível molecular, na escala nanométrica, e possuem uma grande área superficial. Devido a essas propriedades, os MOFs podem ser aplicados em armazenamento de gases, separação, adsorção de metais, catálise, liberação de fármacos, tratamento de água, sensores, eletrodos, filtros, etc. Recentemente, descobriu-se que os MOFs possuem capacidade de captura de CO2, que pode ser fotoreduzido, ou seja, fotossíntese artificial.
Os pontos quânticos, por outro lado, são materiais ultrafinos (0,5–9 nm) cujas propriedades ópticas obedecem às regras da química quântica e da mecânica quântica. São chamados de “átomos artificiais” ou “moléculas artificiais” porque cada ponto quântico consiste em apenas alguns ou alguns milhares de átomos ou moléculas. Nessa faixa de tamanho, os níveis de energia dos elétrons deixam de ser contínuos e se separam devido a um fenômeno físico conhecido como efeito de confinamento quântico. Nesse caso, o comprimento de onda da luz emitida dependerá do tamanho dos pontos quânticos. Esses pontos quânticos também podem ser aplicados na fotossíntese artificial devido à sua alta capacidade de absorção de luz, capacidade de gerar múltiplos éxcitons e grande área superficial.
Tanto os MOFs quanto os pontos quânticos foram sintetizados no âmbito da Green Science Alliance. Anteriormente, eles utilizaram com sucesso materiais compósitos de MOF e pontos quânticos para produzir ácido fórmico como um catalisador especial para fotossíntese artificial. No entanto, esses catalisadores estão na forma de pó e esse pó catalítico precisa ser coletado por filtração em cada etapa do processo. Portanto, como esses processos não são contínuos, sua aplicação prática na indústria é dificultada.
Em resposta, o Sr. Tetsuro Kajino, o Sr. Hirohisa Iwabayashi e o Dr. Ryohei Mori, da Green Science Alliance Co., Ltd., utilizaram sua tecnologia para imobilizar esses catalisadores especiais de fotossíntese artificial em folhas têxteis de baixo custo e desenvolveram um novo processo para a produção de ácido fórmico, que pode operar continuamente em aplicações industriais práticas. Após a conclusão da reação de fotossíntese artificial, a água contendo ácido fórmico pode ser retirada para extração, e água fresca pode ser adicionada ao recipiente para retomar continuamente a fotossíntese artificial.
O ácido fórmico pode substituir o hidrogênio como combustível. Uma das principais razões que impedem a disseminação de uma sociedade movida a hidrogênio em todo o mundo é que o hidrogênio é o menor átomo do universo, sendo difícil armazená-lo, e a produção de um tanque de hidrogênio com alta vedação seria muito cara. Além disso, o hidrogênio gasoso pode ser explosivo e representar um risco à segurança. Como o ácido fórmico é líquido, é mais fácil armazená-lo como combustível. Se necessário, o ácido fórmico pode ser usado como catalisador para a produção de hidrogênio in situ. Ademais, o ácido fórmico pode ser usado como matéria-prima para diversos produtos químicos.
Embora a eficiência da fotossíntese artificial ainda seja baixa, a Green Science Alliance continuará lutando por melhorias nessa eficiência para estabelecer aplicações práticas para a fotossíntese artificial.