Químicos criam um sistema de 'fotossíntese artificial' que é 10 vezes mais eficiente do que os sistemas existentes

Por Louise Lerner

10 de novembro de 2022

Nos últimos dois séculos, os humanos têm contado com combustíveis fósseis para obter energia concentrada; centenas de milhões de anos de fotossíntese compactados em uma substância conveniente e densa em energia. Mas esse suprimento é finito e o consumo de combustível fóssil tem um tremendo impacto negativo no clima da Terra.

"O maior desafio que muitas pessoas não percebem é que nem mesmo a natureza tem solução para a quantidade de energia que usamos", disse Wenbin Lin, químico da Universidade de Chicago. Nem mesmo a fotossíntese é tão boa, disse ele: "Teremos que fazer melhor que a natureza, e isso é assustador."

Uma opção possível que os cientistas estão explorando é a "fotossíntese artificial" - retrabalhar o sistema de uma planta para produzir nossos próprios tipos de combustível. No entanto, o equipamento químico em uma única folha é incrivelmente complexo e não é tão fácil de usar para nossos próprios propósitos.

Um estudo da Nature Catalysis de seis químicos da Universidade de Chicago mostra um novo sistema inovador para fotossíntese artificial que é mais produtivo do que os sistemas artificiais anteriores em uma ordem de grandeza. Ao contrário da fotossíntese regular, que produz carboidratos a partir de dióxido de carbono e água, a fotossíntese artificial pode produzir etanol, metano ou outros combustíveis.

Embora tenha um longo caminho a percorrer antes que possa se tornar uma maneira de abastecer seu carro todos os dias, o método dá aos cientistas uma nova direção a explorar – e pode ser útil a curto prazo para a produção de outros produtos químicos.

"Esta é uma grande melhoria nos sistemas existentes, mas tão importante quanto, fomos capazes de estabelecer uma compreensão muito clara de como este sistema artificial funciona no nível molecular, o que não foi alcançado antes", disse Lin, que é o James Franck Professor de Química da Universidade de Chicago e autor sênior do estudo.

"Sem a fotossíntese natural, não estaríamos aqui. Ela produz o oxigênio que respiramos na Terra e a comida que comemos", disse Lin. "Mas nunca será eficiente o suficiente para fornecer combustível para dirigirmos carros; portanto, precisaremos de outra coisa."

O problema é que a fotossíntese é construída para criar carboidratos, que são ótimos para nos abastecer, mas não nossos carros, que precisam de muito mais energia concentrada. Portanto, os pesquisadores que procuram criar alternativas aos combustíveis fósseis precisam reestruturar o processo para criar combustíveis mais densos em energia, como etanol ou metano.

Na natureza, a fotossíntese é realizada por vários conjuntos muito complexos de proteínas e pigmentos. Eles absorvem água e dióxido de carbono, separam as moléculas e reorganizam os átomos para produzir carboidratos – uma longa cadeia de compostos de hidrogênio-oxigênio-carbono. Os cientistas, no entanto, precisam retrabalhar as reações para produzir um arranjo diferente com apenas hidrogênio envolvendo um núcleo de carbono suculento – CH4, também conhecido como metano.

Essa reengenharia é muito mais complicada do que parece; as pessoas vêm mexendo nisso há décadas, tentando se aproximar da eficiência da natureza.

Lin e sua equipe de laboratório pensaram que poderiam tentar adicionar algo que os sistemas de fotossíntese artificial até hoje não incluíram: aminoácidos.

A equipe começou com um tipo de material chamado estrutura metal-orgânica ou MOF, uma classe de compostos compostos de íons metálicos mantidos juntos por moléculas de ligação orgânica. Em seguida, eles projetaram os MOFs como uma única camada, a fim de fornecer a área de superfície máxima para reações químicas, e submergiram tudo em uma solução que incluía um composto de cobalto para transportar elétrons. Finalmente, eles adicionaram aminoácidos aos MOFs e experimentaram para descobrir qual funcionava melhor.

Eles conseguiram fazer melhorias nas duas metades da reação: o processo que separa a água e o que adiciona elétrons e prótons ao dióxido de carbono. Em ambos os casos, os aminoácidos ajudaram a reação a ser mais eficiente.