A indústria química é responsável por cerca de 6% das emissões totais de carbono do mundo.

Agora, uma equipe liderada pela Universidade de Cambridge está explorando abordagens inovadoras que poderiam eventualmente “desfosilizar” essa vital indústria.

O avanço envolve um dispositivo híbrido que combina polímeros orgânicos absorvedores de luz e enzimas bacterianas para transformar luz solar, água e dióxido de carbono em formiato, um combustível limpo que pode impulsionar reações químicas adicionais.

Esta “folha semi-artificial” replica a fotossíntese, o processo natural que as plantas usam para transformar luz solar em energia e opera inteiramente com sua própria energia. Ao contrário de projetos anteriores que dependiam de absorvedores de luz tóxicos ou instáveis, este novo modelo bio-híbrido utiliza materiais não tóxicos, funciona de forma mais eficiente e permanece estável sem aditivos adicionais.

Em testes de laboratório, a equipe utilizou com sucesso luz solar para converter dióxido de carbono em formiato e, em seguida, aplicou-o diretamente em uma reação de “domino” para sintetizar um composto valioso usado em produtos farmacêuticos, alcançando tanto alta produtividade quanto pureza.

De acordo com as conclusões publicadas na revista Joule, essa é a primeira vez que semicondutores orgânicos servem como o componente captador de luz em um sistema bio-híbrido, abrindo caminho para uma nova geração de folhas artificiais ecológicas.

A indústria química permanece como um pilar da economia global, produzindo uma vasta gama de bens — desde medicamentos e fertilizantes até plásticos, tintas, eletrônicos, produtos de limpeza e produtos de higiene pessoal.

“Se quisermos construir uma economia circular e sustentável, a indústria química é um grande e complexo problema que devemos enfrentar,” disse o Professor Erwin Reisner do Departamento de Química Yusuf Hamied da Universidade de Cambridge, que liderou a pesquisa. “Precisamos encontrar maneiras de desfosilizar esse setor importante, que produz muitos produtos dos quais todos precisamos. É uma grande oportunidade se conseguirmos acertar.”

O grupo de pesquisa de Reisner se especializa no desenvolvimento de folhas artificiais, que transformam 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 ou se degradam rapidamente, desperdiçam grande parte do espectro solar ou contêm elementos tóxicos como o chumbo.

“Se conseguirmos remover os componentes tóxicos e começar a usar elementos orgânicos, acabamos com uma reação química limpa e um único produto final, sem reações indesejadas,” disse o Dr. Celine Yeung, co-primeiro autor, que completou a pesquisa como parte de seu trabalho de doutorado no laboratório de Reisner. “Este dispositivo combina o melhor dos dois mundos — semicondutores orgânicos são ajustáveis e não tóxicos, enquanto os biocatalisadores são altamente seletivos e eficientes.”

O novo dispositivo integra semicondutores orgânicos com enzimas de bactérias redutoras de sulfato, dividindo a água em hidrogênio e oxigênio ou convertendo dióxido de carbono em formiato.

Os pesquisadores também abordaram um desafio de longa data: a maioria dos sistemas requer aditivos químicos, conhecidos como tampões, para manter as enzimas em funcionamento. Esses aditivos podem se degradar rapidamente e limitar a estabilidade. Ao incorporar uma enzima auxiliar, anidrase carbônica, em uma estrutura de titânia porosa, os pesquisadores permitiram que o sistema operasse em uma solução simples de bicarbonato — semelhante à água com gás — sem aditivos insustentáveis.

“É como um grande quebra-cabeça,” disse o Dr. Yongpeng Liu, co-primeiro autor e pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Reisner. “Temos todos esses diferentes componentes que estamos tentando reunir para um único propósito. Levou-nos muito tempo para descobrir como esta enzima específica é imobilizada em um eletrodo, mas agora estamos começando a ver os frutos desses esforços.”

“Ao realmente estudar como a enzima funciona, conseguimos projetar com precisão os materiais que compõem as diferentes camadas do nosso dispositivo em forma de sanduíche,” disse Yeung. “Este design fez os componentes funcionarem juntos de forma mais eficaz, do nanoscale até a folha artificial completa.”

Testes mostraram que a folha artificial produziu altas correntes e alcançou quase 100% de eficiência em direcionar elétrons para as reações de produção de combustível. O dispositivo funcionou com sucesso por mais de 24 horas: mais do que o dobro do tempo dos projetos anteriores.

Os pesquisadores esperam desenvolver ainda mais seus designs para prolongar a vida útil do dispositivo e adaptá-lo para produzir diferentes tipos de produtos químicos.

“Mostramos que é possível criar dispositivos movidos a energia solar que são não apenas eficientes e duráveis, mas também livres de componentes tóxicos ou insustentáveis,” disse Reisner. “Isso pode ser uma plataforma fundamental para a produção de combustíveis e produtos químicos verdes no futuro — é uma verdadeira oportunidade para fazer química emocionante e importante.”

A pesquisa teve o apoio, em parte, da Agência de Ciência, Tecnologia e Pesquisa de Cingapura (A*STAR), do Conselho Europeu de Pesquisa, da Fundação Nacional Suíça de Ciências, da Royal Academy of Engineering e da Pesquisa e Inovação do Reino Unido (UKRI). Erwin Reisner é membro do St John’s College, Cambridge. Celine Yeung é membro do Downing College, Cambridge.