Catalisador bioinspirado acelera busca por combustível solar

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/03/2010

Bolhas de oxigênio formadas a partir da oxidação da água utilizando o novo catalisador WOC de tetra-cobalto, o mais rápido já fabricado até hoje, além de não conter carbono em sua composição.
[Imagem: Benjamin Yin/Emory University]

Desafios da economia do hidrogênio

Apregoa-se há tempos que o hidrogênio será o combustível do futuro porque ele gera energia elétrica nas células a combustível sem liberar nenhum poluente. Mas, no presente, o hidrogênio é fabricado a partir do gás natural, um combustível fóssil.

Para chegarmos à economia do hidrogênio, três desafios técnicos permanecem na agenda dos pesquisadores: o desenvolvimento de um coletor de luz solar adequado, um catalisador para oxidar a água em oxigênio e um catalisador para a reação de redução da água em hidrogênio.

Esses três componentes já foram demonstrados em laboratório, mas sem viabilidade prática, precisando ser muito melhorados.

Dos três, o mais complicado é sem dúvida o catalisador de oxidação da água, mais conhecido pela sigla em inglês WOC (Water Oxidation Catalyst). O WOC representa o maior desafio científico porque os componentes orgânicos que entram em sua composição combinam-se com o oxigênio e se autodestroem.

Catalisador para oxidação da água

Agora, químicos das universidades de Emory, nos Estados Unidos, e Paris, na França, desenvolveram o mais potente catalisador homogêneo conhecido até hoje para a oxidação da água, e sem utilizar compostos orgânicos, solucionando o sério problema de sua rápida degradação.

Este catalisador é considerado um componente crucial para viabilização da economia do hidrogênio porque ele fecha o circuito que permite a produção de hidrogênio puro usando somente água e luz do Sol.

A fim de serem viáveis, os WOCs precisam ser seletivos, estáveis e rápidos. A homogeneidade também é uma característica desejável, já que ela aumenta a eficiência do catalisador e o torna um objeto de estudo mais simples - portanto, mais fácil de aperfeiçoar.

O catalisador de oxidação da água agora apresentado pelos pesquisadores norte-americanos e franceses tem todas essas qualidades, e é baseado no cobalto, um elemento abundante e muito mais barato do que o rutênio, comumente utilizado.

Isso aumenta seu potencial para ajudar na implantação de uma nova era baseada na energia solar, eventualmente obtida por meio da chamada fotossíntese artificial.

Geração sustentável de energia

O desenvolvimento dos catalisadores destinados a quebrar as moléculas de água tira sua inspiração da forma como as plantas usam a luz solar para obter sua própria energia. Esses sistemas artificiais bioinspirados poderão levar a novas formas de gerar hidrogênio - e eventualmente eletricidade - de forma totalmente sustentável e sem produção de elementos poluentes.

O catalisador à base de cobalto mostrou-se ainda mais rápido do que a versão original de rutênio, que a equipe havia desenvolvido dois anos atrás.
[Imagem: Yin et al./Science]

Os catalisadores da natureza são as enzimas. A enzima que atua nos "centros de processamento" do oxigênio das plantas verdes é, porém, o catalisador menos estável na natureza. Seu curtíssimo período de vida explica-se justamente pela importância da função que ele desempenha na vida vegetal.

Durante décadas, os cientistas vêm tentando imitar a Mãe Natureza para criar um WOC para a fotossíntese artificial. Quase todos os mais de 40 WOCs homogêneos já desenvolvidos em diversos laboratórios ao redor do mundo têm limitações significativas, como a presença de componentes orgânicos em sua composição, que queimam-se rapidamente durante o processo de oxidação da água.

"Nós duplicamos este complexo processo natural pegando algumas das características essenciais da fotossíntese e usando-as em um sistema sintético, sem uso de carbono e homogêneo. O resultado é um catalisador de oxidação da água que é muito mais estável do que o encontrado na natureza," explicam os pesquisadores.

Além de se livrar dos compostos orgânicos, a equipe do Dr. Craig Hill deu um passo importante ao dispensar também o raro e caro rutênio. Seu catalisador à base de cobalto mostrou-se ainda mais rápido do que a versão original de rutênio, que a equipe havia desenvolvido dois anos atrás. O cobalto tem seus próprios problemas, mas eventualmente muito menores do que os apresentados pela atual matriz energética.

Energia verde

O próximo passo da pesquisa será integrar o novo catalisador em um sistema de quebra das moléculas de água em oxigênio e hidrogênio alimentado unicamente por energia solar.

O desenvolvimento vem somar-se a outros importantes feitos na área apresentados nas últimas semanas, como uma biocélula capaz de realizar fotossíntese artificial diretamente a partir de uma planta um circuito molecular que utiliza plasmons de superfície.

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