Uma equipa de investigação do Laboratório Nacional de Rocky Mountain, nos EUA, publicou recentemente resultados na revista Journal of the American Chemical Society, demonstrando um sistema híbrido composto por um semicondutor de silício acoplado a um catalisador molecular. Este sistema é capaz de capturar luz solar de alta energia, não aproveitada pelas plantas nem pelos painéis solares tradicionais, e utilizá-la para impulsionar reações químicas como a produção de combustíveis. Esta investigação, que se insere nas áreas da fotossíntese artificial e fotocatálise, intitula-se "Estados Híbridos de Alta Energia Permitem Longa Vida Útil de Eletrões Quentes em Sistemas de Nanocristais de Cobalto-Silício".
Os painéis solares atuais consomem apenas cerca de 20% da energia luminosa incidente, e as plantas e outros organismos fotossintéticos provavelmente consomem apenas cerca de 1%, enfrentando ambos o problema da rápida dissipação de eletrões de alta energia sob a forma de calor. Nathan Neale, cientista de investigação do Laboratório Nacional de Rocky Mountain e primeiro autor do artigo, afirmou: "O nosso trabalho visa ultrapassar os limites da produção de energia solar, e o sistema híbrido semicondutor-catalisador molecular utilizado neste estudo revela um caminho possível. Descobrimos que os estados eletrónicos neste sistema híbrido permitem que os eletrões fotogerados retenham energia suficiente para serem usados em reações químicas."
A equipa de investigação conseguiu uma vida útil mais longa dos eletrões ao manipular a química molecular na superfície do semicondutor. O fator chave é um grupo de ligação chamado vinilpiridina, que funde os nanocristais de silício com o catalisador, formando um estado eletrónico híbrido que permite a persistência dos eletrões. Nathan Neale disse: "Os eletrões de alta energia nos materiais normalmente perdem energia rapidamente ao acoplarem-se com vibrações moleculares e aquecerem o ambiente circundante. Ao hibridizar os estados eletrónicos entre o semicondutor de silício coletor de luz e o catalisador molecular, o nosso material mantém os eletrões 'quentes' durante pelo menos 5 nanossegundos, o que tem potencial para impulsionar a fotocatálise com maior eficiência." Este tempo é cerca de 25.000 vezes superior ao tempo de arrefecimento de eletrões quentes no silício, excedendo largamente as dezenas de femtossegundos tipicamente observadas no arrefecimento eletrónico.
Os investigadores utilizaram vários métodos espetroscópicos e cálculos de mecânica quântica para confirmar o papel dos estados eletrónicos híbridos, descobrindo que os eletrões quentes podem difundir-se simultaneamente no silício e no catalisador. Através desta investigação sobre o sistema fotocatalítico baseado em silício, o Laboratório Nacional de Rocky Mountain, nos EUA, fornece novos caminhos técnicos para aplicações como a conversão de dióxido de carbono em combustíveis de hidrocarbonetos e a síntese de fertilizantes a partir da atmosfera. O surgimento do sistema fotocatalítico baseado em silício representa um progresso substancial no campo da fotossíntese artificial.
Detalhes da publicação: Autores: Trung H. Le et al., Título: "Estados Híbridos de Alta Energia Permitem Longa Vida Útil de Eletrões Quentes em Sistemas de Nanocristais de Oximato de Cobalto-Silício", Publicado em: Journal of the American Chemical Society (2026), Informação da revista: Journal of the American Chemical Society