Fotossíntese artificial: conversão de luz em combustível

Esquema simplificado da fotossíntese nas plantas

A fotossíntese é a base da vida tal como a conhecemos, o nível mais baixo da cadeia trófica. Se bem que não na sua totalidade (há alternativas residuais), sim na sua grande maioria. E a ideia é simples: aproveitar a energia da luz solar convertendo-a em energia química, que depois poderá ser utilizada pelo organismo para todo o seu ciclo vital.

É uma ideia simples, mas que não soubemos copiar eficientemente. Pelo menos até agora. Os científicos tentam desde há muito tempo desenvolver uma versão artificial da fotossíntese que possa utilizar-se, por exemplo, para produzir combustíveis líquidos a partir do dióxido de carbono e da água.

Heinz Frei, químico da Divisão de Biociências Físicas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (o Berkeley Lab), conduziu recentemente uma investigação, com a colaboração do seu colega de post-doutoramento Feng Jiao, na que descobriram uns cristais de óxido de cobalto de nanómetros de tamanho que podem desenvolver eficazmente una parte crítica da reacção fotossintética: separar nos seus componentes (oxigeno, protões e electrões, sendo que estes últimos são as partes do hidrogeno) as moléculas de água.

A fotossíntese artificial para a produção de combustíveis líquidos oferece a promessa de uma fonte renovável, e neutra em carbono, de energia transportável (com a importância deste aspecto, tal como já foi explicado nesta notícia). O facto de ser neutra em carbono significa que não se esgotaria nem contribuiria ao aquecimento global, uma vez que a oxidação do combustível emitiria tanto carbono (na realidade, o mesmo) como o que tinha sido previamente fixado na fotossíntese artificial, não como quando queimamos petróleo ou carvão agora, que não são provenientes de CO2 atmosférico fixado imediatamente antes.

A ideia é simular, e se fosse possível melhorar, o processo que utilizam as plantas verdes e certas bactérias, recorrendo à estratégia de integrar numa só plataforma sistemas que possam capturar os fotões solares e sistemas catalizadores que possam oxidar a água. Uma vez obtidos os protões e os electrões, não apresenta tantos inconvenientes o investimento da sua energia química associada na conversão de CO2 em hidrocarbonetos (metanol, como se vê na figura).

Para levar a termo eficazmente esta oxidação da água mediante a energia dos fotões (foto-oxidação) eficazmente precisa-se um catalizador que seja eficaz no uso dos fotões solares e ainda o suficientemente rápido para seguir o ritmo imposto pelo fluxo de fotões (utiliza-los ao ritmo que o Sol os envia, por dizer de alguma maneira), com a finalidade de não desperdiçar esses fotões. Os cachos de nanocristais de óxido de cobalto são suficientemente eficazes e rápidos, e também robustos (duram muito tempo), muito abundantes na terra e baratos.

Frei e Jiao vão desenvolver estudos adicionais para conhecer melhor o porquê de os cachos de nanocristais de óxido de cobalto serem foto-catalizadores eficazes e de alta velocidade, e vão tentar encontrar também outros catalizadores eficazes, mas, de todas as maneiras, como diz Frei: achamos que temos um componente catalítico promissor para o desenvolvimento de um sistema integrado de conversão solar de combustível.

Neste vídeo da LBNL pode-se observar uma solução de água com este catalizador sobre a que incide um laser, fazendo que o líquido fique azul e pouco depois emita o oxigeno gasoso proveniente da oxidação da água:

Informação adicional em LBNL