Pesquisadores demonstraram um novo método sustentável para a fabricação dos blocos de construção de produtos químicos utilizados em milhares de produtos que usamos diariamente, de plásticos a cosméticos.

A indústria química produz centenas de milhares de produtos químicos, transformando matérias-primas (geralmente combustíveis fósseis) em produtos finais úteis. Devido à sua grande escala e ao uso de combustíveis fósseis, a indústria química é responsável por aproximadamente 6% das emissões globais de carbono.

Mas pesquisadores liderados pela Universidade de Cambridge estão desenvolvendo novos métodos que poderão um dia desfossilizar esse importante setor.

Eles desenvolveram um dispositivo híbrido que combina polímeros orgânicos coletores de luz com enzimas bacterianas para converter luz solar, água e dióxido de carbono em formato, um combustível que pode alimentar outras conversões químicas.

Sua "folha semiartificial" imita a fotossíntese — o processo pelo qual as plantas usam a luz para converter a luz solar em energia — sem a necessidade de nenhuma fonte de energia externa. Ao contrário dos protótipos anteriores, que frequentemente dependiam de absorvedores de luz tóxicos ou instáveis, este novo design bio-híbrido evita o uso de semicondutores tóxicos, tem uma vida útil mais longa e opera sem os produtos químicos adicionados que anteriormente prejudicavam a eficiência.

Em experimentos, os pesquisadores utilizaram a luz solar para converter dióxido de carbono em formato, que foi então usado diretamente em uma reação química "dominó" para produzir um importante composto farmacêutico com alto rendimento e pureza.

Seus resultados, publicados na revista Joule, marcam a primeira vez que um semicondutor orgânico foi usado como componente de coleta de luz de um dispositivo bio-híbrido, abrindo caminho para uma nova gama de folhas artificiais sustentáveis.

A indústria química está no centro da economia mundial, produzindo produtos como fármacos, fertilizantes, plásticos, tintas, eletrônicos, produtos de limpeza e cosméticos.

"A indústria química é um problema enorme e complexo que precisamos enfrentar se quisermos construir uma economia circular e sustentável", disse o professor Erwin Reisner, do Departamento de Química Yousef Hamid da Universidade de Cambridge, que liderou a pesquisa. "Precisamos encontrar uma maneira de eliminar os combustíveis fósseis dessa indústria vital, que produz muitos produtos importantes de que todos precisamos. Se conseguirmos fazer isso bem, será uma grande oportunidade."

O grupo de pesquisa de Reisner é especializado no desenvolvimento de folhas artificiais que podem converter a luz solar em combustíveis e produtos químicos à base de carbono sem depender de combustíveis fósseis. Mas muitos de seus projetos anteriores dependiam de catalisadores sintéticos ou semicondutores inorgânicos, que se degradam rapidamente, desperdiçam grandes quantidades do espectro solar ou contêm elementos tóxicos como o chumbo.

"Se conseguirmos remover os componentes tóxicos e começar a usar elementos orgânicos, teremos uma reação química limpa e um único produto final sem reações colaterais indesejadas", disse a coautora Dra. Celine Yeung, que concluiu esta pesquisa como parte de seu trabalho de doutorado no laboratório de Reisner. "Este dispositivo combina o melhor dos dois mundos — a natureza ajustável e não tóxica dos semicondutores orgânicos e a natureza altamente seletiva e eficiente dos catalisadores biológicos."

O novo dispositivo combina semicondutores orgânicos com enzimas de bactérias redutoras de sulfato, que decompõem a água em hidrogênio e oxigênio ou convertem dióxido de carbono em formato.

Os pesquisadores também abordaram um desafio de longa data: a maioria dos sistemas requer aditivos químicos (chamados tampões) para manter as enzimas funcionando. Esses aditivos se decompõem rapidamente e afetam a estabilidade. Ao incorporar uma enzima auxiliar, a anidrase carbônica, em uma estrutura porosa de dióxido de titânio, os pesquisadores permitiram que o sistema funcionasse em uma solução simples de bicarbonato (semelhante à soda) sem a necessidade de aditivos insustentáveis.

"É como um grande quebra-cabeça", disse o Dr. Yongpeng Liu, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Reisner e coautor do artigo. "Tentamos reunir todos esses diferentes componentes para atingir um objetivo comum. Levamos muito tempo para descobrir como essa enzima específica se fixa ao eletrodo, mas agora estamos começando a ver os frutos desses esforços."

"Ao compreender profundamente o mecanismo de ação da enzima, conseguimos projetar com precisão os materiais que compõem as diferentes camadas do nosso dispositivo sanduíche", disse Yang. "Este projeto permite que os componentes individuais trabalhem juntos de forma mais eficaz, desde a pequena nanoescala até a folha artificial completa."

Testes mostraram que a folha artificial foi capaz de gerar uma alta corrente e atingir uma eficiência quase perfeita no direcionamento de elétrons para a reação de produção de combustível. O dispositivo operou com sucesso por mais de 24 horas, mais que o dobro do tempo de operação de projetos anteriores.

Os pesquisadores esperam desenvolver ainda mais seu projeto para estender a vida útil do dispositivo e adaptá-lo para produzir diferentes tipos de produtos químicos.

"Mostramos que é possível criar um dispositivo alimentado por energia solar altamente eficiente e durável, que não contém ingredientes tóxicos ou insustentáveis", disse Reisner. "Esta pode se tornar uma plataforma fundamental para a produção de combustíveis e produtos químicos verdes no futuro. É uma oportunidade real para conduzir pesquisas químicas importantes e empolgantes."