Sol, sustentabilidade e silício: uma dose dupla de pesquisa de combustível solar em Yale

Dois estudos liderados por Yale indicam a promessa de encontrar abordagens híbridas para o desenvolvimento de combustíveis solares alternativos.

O CHASE irá desenvolver uma nova geração de combustíveis líquidos que são activados pela luz solar, e os investigadores de Yale estão a ajudar a liderar o caminho.

Na última década, a investigação básica destinada a criar combustível líquido sustentável movido a energia solar atingiu uma encruzilhada. Novos materiais semicondutores podem capturar eficazmente a luz solar e catalisar a conversão de dióxido de carbono em produtos valiosos, como combustíveis líquidos. No entanto, muitas vezes é um desafio formar um único produto. Os catalisadores moleculares podem formar um único produto a partir do dióxido de carbono (CO2), mas não são estáveis. Consequentemente, muitos cientistas dizem que nenhuma dessas abordagens é adequada para produção em larga escala.

Mas uma terceira metodologia está emergindo agora. Os químicos de Yale envolvidos no Centro de Abordagens Híbridas para Energia Solar (CHASE) estão combinando novos materiais semicondutores com novos catalisadores moleculares em processos mais poderosos e simplificados que podem ser escalonáveis ​​para uso mais amplo.

Esta nova abordagem promissora, descrita em dois estudos recentes, representa uma abordagem do “melhor dos dois mundos”, dizem os investigadores, que poderá levar a produtos de combustível alternativo revolucionários que tenham o benefício adicional de remover CO2 do ar.

“Ambos os artigos me dão muita esperança de que uma abordagem híbrida possa funcionar”, disse Eleanor Stewart-Jones, estudante de pós-graduação no Departamento de Química de Yale e coautora de um dos estudos. “Definitivamente estamos encontrando novas maneiras de melhorar ou aumentar a reatividade.”

Aproximadamente uma dúzia de professores e estudantes de pós-graduação de Yale fazem parte do CHASE, um centro de pesquisa em energia solar financiado pelo governo federal, composto por seis instituições de pesquisa dos EUA e com sede na Universidade da Carolina do Norte-Chapel Hill. A missão do CHASE é acelerar pesquisas que possam levar à produção de combustíveis líquidos a partir da luz solar, água, nitrogênio e dióxido de carbono.

O contingente de Yale inclui Nilay Hazari, professor de química John Randolph Huffman; James Mayer, professor de química Charlotte Fitch Roberts; e Hailiang Wang, professor de química, todos da Faculdade de Artes e Ciências.

“Foi inspirador ver a dedicação que nossos estudantes, pesquisadores de pós-doutorado e nossos colegas de instituições parceiras estão trazendo para este trabalho”, disse Wang. “Cada nova descoberta nos aproxima do desenvolvimento da tecnologia necessária para combustíveis solares práticos.”

A engenhosidade de pesquisa de Yale está no centro dos dois novos estudos CHASE, ambos publicados no Journal of the American Chemical Society. Eles se concentram em fotoeletrodos à base de silício – os componentes das baterias solares que captam a luz solar e a convertem em energia elétrica.

No primeiro estudo, liderado pelo laboratório de Wang em Yale e pelo laboratório de Tianquan Lian em Emory, os pesquisadores construíram um eletrodo que consiste em um conjunto de micropilares de silício, revestidos com uma camada de carbono fluorado superhidrofóbico.

Esta estratégia aumentou a área superficial geral do eletrodo e levou a um aumento dramático na atividade catalítica. “Vimos um aumento notável, até 17 vezes mais atividade catalítica do que o recorde anterior para fotoeletrodos de silício”, disse Bo Shang, estudante de graduação em química de Yale e co-autor do estudo.

A abordagem rendeu a conversão fotoeletrocatalítica de CO2 da luz solar em metanol mais eficiente já relatada. O metanol é um combustível líquido alternativo incolor.

Para o segundo estudo, os laboratórios de Yale de Mayer e Hazari colaboraram em um processo envolvendo finas pastilhas de silício poroso, uma forma de silício que é gravada com canais chamados nanoporos. Os pesquisadores anexaram um catalisador molecular de rênio a essas pastilhas de eletrodo.

“Até onde sabemos, esta é a primeira vez que alguém liga um catalisador molecular ao silício poroso”, disse Stewart-Jones, estudante de graduação no laboratório de Mayer e co-autor do estudo.

A reação química resultante, desencadeada pela luz solar, transforma o CO2 em monóxido de carbono de uma maneira mais consistente e reprodutível do que quando os catalisadores moleculares são combinados com silício plano e não poroso.

“Imobilizamos com sucesso um catalisador eficaz de redução de CO2 molecular em um material de silício que absorve a luz solar”, disse Xiaofan Jia, pesquisador de pós-doutorado no laboratório Hazari e outro co-autor do estudo. “Isso permite que o dispositivo utilize diretamente a energia da luz solar para produzir combustíveis.”

Tomados em conjunto, ambos os estudos destacam a diversidade e a criatividade do projeto CHASE, disse Wang.

“Esses dois trabalhos desenvolvem fotoeletrodos de redução de CO2 com silício e um catalisador molecular, mas adotam abordagens muito diferentes”, disse Wang.

Jim Shelton