Fotossíntese artificial - Artificial photosynthesis

A fotossíntese artificial é um processo químico que biomimiza o processo natural da fotossíntese para converter a luz solar , a água e o dióxido de carbono em carboidratos e oxigênio . O termo fotossíntese artificial é comumente usado para se referir a qualquer esquema para capturar e armazenar a energia da luz solar nas ligações químicas de um combustível (um combustível solar ). A divisão fotocatalítica da água converte a água em hidrogênio e oxigênio e é um importante tópico de pesquisa da fotossíntese artificial. A redução do dióxido de carbono impulsionada pela luz é outro processo estudado que replica a fixação natural do carbono .

A pesquisa neste tópico inclui o projeto e montagem de dispositivos para a produção direta de combustíveis solares, fotoeletroquímica e sua aplicação em células a combustível, e a engenharia de enzimas e microorganismos fotoautotróficos para biocombustível microbiano e produção de biohidrogênio a partir da luz solar.

Visão geral

A reação fotossintética pode ser dividida em duas semi-reações de oxidação e redução , ambas essenciais para a produção de combustível . Na fotossíntese das plantas, as moléculas de água são foto-oxidadas para liberar oxigênio e prótons. A segunda fase da fotossíntese da planta (também conhecida como ciclo de Calvin-Benson ) é uma reação independente da luz que converte dióxido de carbono em glicose (combustível). Os pesquisadores da fotossíntese artificial estão desenvolvendo fotocatalisadores que são capazes de realizar ambas as reações. Além disso, os prótons resultantes da divisão da água podem ser usados ​​para a produção de hidrogênio. Esses catalisadores devem ser capazes de reagir rapidamente e absorver uma grande porcentagem dos fótons solares incidentes .

Fotossíntese natural (esquerda) versus fotossíntese artificial (direita)

Considerando que a energia fotovoltaica pode fornecer energia diretamente da luz solar, a ineficiência da produção de combustível a partir da eletricidade fotovoltaica (processo indireto) e o fato de a luz do sol não ser constante ao longo do dia estabelece um limite para seu uso. Uma maneira de usar a fotossíntese natural é para a produção de um biocombustível , que é um processo indireto que sofre de baixa eficiência de conversão de energia (devido à baixa eficiência da própria fotossíntese em converter luz solar em biomassa), o custo de colheita e transporte do combustível, e conflitos devido à necessidade crescente de massa de terra para a produção de alimentos. O objetivo da fotossíntese artificial é produzir um combustível a partir da luz solar que pode ser armazenado convenientemente e usado quando a luz solar não está disponível, usando processos diretos, ou seja, para produzir um combustível solar . Com o desenvolvimento de catalisadores capazes de reproduzir as principais partes da fotossíntese, a água e a luz solar seriam, em última análise, as únicas fontes necessárias para a produção de energia limpa. O único subproduto seria o oxigênio, e a produção de um combustível solar tem o potencial de ser mais barata do que a gasolina.

Um processo para a criação de um suprimento de energia limpa e acessível é o desenvolvimento da separação fotocatalítica da água sob a luz solar. Este método de produção sustentável de hidrogênio é um dos principais objetivos para o desenvolvimento de sistemas alternativos de energia . Prevê-se também que seja uma das formas mais eficientes, senão a mais eficiente, de obter hidrogênio da água. A conversão da energia solar em hidrogênio por meio de um processo de separação da água auxiliado por catalisadores fotossemondutores é uma das tecnologias mais promissoras em desenvolvimento. Esse processo tem o potencial de gerar grandes quantidades de hidrogênio de maneira ecologicamente correta. A conversão da energia solar em combustível limpo (H 2 ) em condições ambientais é um dos maiores desafios que os cientistas enfrentam no século XXI.

Dois métodos são geralmente reconhecidos para a construção de células de combustível solar para produção de hidrogênio:

  • Um sistema homogêneo é aquele em que os catalisadores não são compartimentados , ou seja, os componentes estão presentes no mesmo compartimento. Isso significa que hidrogênio e oxigênio são produzidos no mesmo local. Isso pode ser uma desvantagem, pois compõem uma mistura explosiva, exigindo a separação do produto gasoso. Além disso, todos os componentes devem estar ativos aproximadamente nas mesmas condições (por exemplo, pH ).
  • Um sistema heterogêneo possui dois eletrodos separados , um ânodo e um cátodo, possibilitando a separação da produção de oxigênio e hidrogênio. Além disso, componentes diferentes não precisam necessariamente funcionar nas mesmas condições. No entanto, o aumento da complexidade desses sistemas os torna mais difíceis de desenvolver e mais caros.

Outra área de investigação dentro da fotossíntese artificial é a seleção e manipulação de microrganismos fotossintéticos, nomeadamente microalgas verdes e cianobactérias , para a produção de combustíveis solares. Muitas linhagens são capazes de produzir hidrogênio naturalmente e os cientistas estão trabalhando para melhorá-las. Biocombustíveis de algas , como butanol e metanol, são produzidos em escala laboratorial e comercial. Esse método se beneficiou do desenvolvimento da biologia sintética , que também está sendo explorada pelo Instituto J. Craig Venter para produzir um organismo sintético capaz de produzir biocombustíveis. Em 2017, foi desenvolvido um processo eficiente para produzir ácido acético a partir do dióxido de carbono por meio de "bactérias ciborgues".

História

A fotossíntese artificial foi antecipada pela primeira vez pelo químico italiano Giacomo Ciamician durante 1912. Em uma palestra publicada posteriormente na Science, ele propôs uma mudança do uso de combustíveis fósseis para a energia radiante fornecida pelo sol e capturada por dispositivos técnicos fotoquímicos. Nessa mudança, ele viu a possibilidade de diminuir a diferença entre o rico norte da Europa e o pobre sul e aventurou-se a supor que essa mudança do carvão para a energia solar "não seria prejudicial ao progresso e à felicidade humana".

No final da década de 1960, Akira Fujishima descobriu as propriedades fotocatalíticas do dióxido de titânio , o chamado efeito Honda-Fujishima, que poderia ser usado para hidrólise .

A divisão de luz visível da água com um dispositivo semicondutor multijunção de uma peça (vs. luz UV com semicondutores de dióxido de titânio) foi demonstrada e patenteada pela primeira vez por William Ayers na Energy Conversion Devices durante 1983. Este grupo demonstrou fotólise da água em hidrogênio e oxigênio, agora referido como uma "folha artificial" com uma folha multifuncional de silício amorfo de filme fino de baixo custo imersa diretamente em água. O hidrogênio evoluiu na superfície frontal de silício amorfo decorada com vários catalisadores, enquanto o oxigênio evoluiu do substrato de metal do lado posterior, o que também eliminou o risco de evolução de gás hidrogênio / oxigênio misturado. Uma membrana de polímero acima do dispositivo imerso forneceu um caminho para o transporte de prótons. A fotovoltagem mais alta disponível a partir do dispositivo de filme fino de multijução com luz visível foi um grande avanço em relação às tentativas anteriores de fotólise com UV ou outros fotoeletrodos semicondutores de junção única. A patente do grupo também lista várias outras composições multijuncionais semicondutoras, além do silício amorfo.

O Consórcio Sueco para Fotossíntese Artificial, o primeiro de seu tipo, foi estabelecido em 1994 como uma colaboração entre grupos de três universidades diferentes, Lund , Uppsala e Estocolmo , estando atualmente ativo em torno de Lund e dos Laboratórios Ångström em Uppsala. O consórcio foi construído com uma abordagem multidisciplinar com foco no aprendizado da fotossíntese natural e na aplicação desse conhecimento em sistemas biomiméticos.

A pesquisa da fotossíntese artificial está passando por um boom no início do século 21. Durante 2000, os pesquisadores da Organização de Pesquisa Científica e Industrial da Commonwealth (CSIRO) divulgaram sua intenção de enfatizar a captura de dióxido de carbono e sua conversão em hidrocarbonetos. Em 2003, o Laboratório Nacional de Brookhaven anunciou a descoberta de uma importante parte intermediária da redução de CO 2 a CO (a reação de redução de dióxido de carbono mais simples possível), que poderia resultar em melhores catalisadores.

Uma das desvantagens dos sistemas artificiais para catalisadores de divisão de água é sua dependência geral de elementos escassos e caros, como o rutênio ou o rênio. Durante 2008, com o financiamento do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos Estados Unidos , o químico do MIT e diretor do Projeto da Revolução Solar Daniel G. Nocera e o pós-doutorado Matthew Kanan tentaram contornar este problema usando um catalisador contendo o mais barato e mais abundante elementos cobalto e fosfato. O catalisador foi capaz de dividir a água em oxigênio e prótons usando a luz solar e poderia ser potencialmente acoplado a um catalisador de produção de gás hidrogênio, como a platina. Além disso, embora o catalisador se quebre durante a catálise, ele pode se autorreparar. Este projeto experimental de catalisador foi considerado uma grande melhoria por muitos pesquisadores.

Enquanto o CO é o principal produto da redução do CO 2 , geralmente são desejados compostos de carbono mais complexos. Durante 2008, Andrew B. Bocarsly relatou a conversão direta de dióxido de carbono e água em metanol usando energia solar em uma célula fotoquímica muito eficiente.

Embora Nocera e seus colegas de trabalho tivessem realizado a divisão da água em oxigênio e prótons, um processo movido a luz para produzir hidrogênio é desejável. Durante 2009, o Instituto Leibniz de Catálise relatou complexos de carbonila de ferro baratos capazes de fazer exatamente isso. Durante o mesmo ano, pesquisadores da Universidade de East Anglia também usaram compostos de carbonila de ferro para alcançar a produção de hidrogênio fotoeletroquímico com 60% de eficiência, desta vez usando um eletrodo de ouro coberto com camadas de fosfeto de índio ao qual os complexos de ferro estavam ligados. Ambos os processos usaram uma abordagem molecular, onde nanopartículas discretas são responsáveis ​​pela catálise.

Durante 2009, F. del Valle e K. Domen mostraram o efeito do tratamento térmico em atmosfera fechada usando Cd
1- xZn
xFotocatalisadores S. CD
1- xZn
xA solução sólida S relata alta atividade na produção de hidrogênio a partir da divisão da água sob a irradiação da luz solar. Uma abordagem mista heterogénea / molecular por investigadores da Universidade de Califórnia, Santa Cruz , em 2010, utilizando ambos azoto dopados e seleneto de cádmio quantum dots -sensitized de dióxido de titânio nanopartículas e nanofios , também produziu hidrogénio photoproduced.

A fotossíntese artificial permaneceu um campo acadêmico por muitos anos. No entanto, no início de 2009, a Mitsubishi Chemical Holdings estava desenvolvendo sua própria pesquisa de fotossíntese artificial usando luz solar, água e dióxido de carbono para "criar os blocos de carbono a partir dos quais resinas, plásticos e fibras podem ser sintetizados." Isso foi confirmado com a criação do Instituto KAITEKI ainda naquele ano, com a redução do dióxido de carbono por meio da fotossíntese artificial como um dos principais objetivos.

Durante 2010, o Departamento de Energia dos Estados Unidos estabeleceu, como um de seus Centros de Inovação em Energia , o Centro Conjunto de Fotossíntese Artificial . A missão do JCAP é encontrar um método econômico para produzir combustíveis usando apenas luz solar, água e dióxido de carbono como insumos. O JCAP é administrado por uma equipe do California Institute of Technology (Caltech), dirigida pelo Professor Nathan Lewis e reúne mais de 120 cientistas e engenheiros da Caltech e seu principal parceiro, o Lawrence Berkeley National Laboratory . O JCAP também se baseia na experiência e nas capacidades dos principais parceiros da Stanford University , da University of California em Berkeley , da UCSB , da University of California, Irvine e da University of California em San Diego , e do Stanford Linear Accelerator . Além disso, o JCAP serve como um hub central para outras equipes de pesquisa de combustíveis solares nos Estados Unidos, incluindo 20 DOE Energy Frontier Research Center. O programa tem um orçamento de US $ 122 milhões ao longo de cinco anos, sujeito a apropriação do Congresso

Também durante 2010, uma equipe dirigida pelo professor David Wendell da Universidade de Cincinnati demonstrou com sucesso a fotossíntese em uma construção artificial que consiste em enzimas suspensas em um invólucro de espuma.

Durante 2011, Daniel Nocera e sua equipe de pesquisa anunciaram a criação da primeira folha artificial prática. Em um discurso no 241º Encontro Nacional da American Chemical Society , Nocera descreveu uma célula solar avançada do tamanho de uma carta de pôquer, capaz de dividir a água em oxigênio e hidrogênio, aproximadamente dez vezes mais eficiente do que a fotossíntese natural. A célula é feita principalmente de materiais baratos que estão amplamente disponíveis, funciona em condições simples e mostra maior estabilidade em relação aos catalisadores anteriores: em estudos de laboratório, os autores demonstraram que um protótipo de folha artificial poderia operar continuamente por pelo menos 45 horas sem um queda na atividade. Em maio de 2012, a Sun Catalytix, a startup baseada na pesquisa da Nocera, afirmou que não aumentará o protótipo porque o dispositivo oferece poucas economias em relação a outras formas de produzir hidrogênio a partir da luz solar. (A Sun Catalytix acabou mais tarde se afastando do combustível solar para desenvolver baterias para armazenar energia para a rede elétrica, e a Lockheed comprou a empresa por um valor não revelado em 2014) Especialistas líderes na área apoiaram uma proposta para um Projeto Global em Artificial Fotossíntese como solução combinada de segurança energética e mudança climática. Conferências sobre este tema foram realizadas na Ilha de Lord Howe durante 2011, em Chicheley Hall no Reino Unido em 2014 e em Canberra e na Ilha de Lord Howe durante 2016.

Pesquisa atual

Em termos de energia, a fotossíntese natural pode ser dividida em três etapas:

Uma montagem da tríade, com um fotossensibilizador (P) ligado em tandem a um catalisador de oxidação de água (D) e um catalisador de evolução de hidrogênio (A). Os elétrons fluem de D para A quando ocorre a catálise.

Usando abordagens biomiméticas , a fotossíntese artificial tenta construir sistemas fazendo o mesmo tipo de processos. Idealmente, um conjunto de tríades poderia oxidar água com um catalisador, reduzir prótons com outro e ter uma molécula fotossensibilizadora para alimentar todo o sistema. Um dos projetos mais simples é onde o fotossensibilizador é ligado em tandem entre um catalisador de oxidação de água e um catalisador de evolução de hidrogênio:

  • O fotossensibilizador transfere elétrons para o catalisador de hidrogênio quando atingido pela luz, sendo oxidado no processo.
  • Isso leva o catalisador de divisão da água a doar elétrons para o fotossensibilizador. Em uma montagem de tríade, esse catalisador é muitas vezes referido como um doador. O doador oxidado é capaz de realizar a oxidação da água.

O estado da tríade com um catalisador oxidado em uma extremidade e o segundo reduzido na outra extremidade da tríade é referido como uma separação de carga e é uma força motriz para que ocorra a transferência de elétrons e, conseqüentemente, a catálise. Os diferentes componentes podem ser montados de diversas maneiras, tais como complexos supramoleculares , células compartimentadas ou linearmente, moléculas ligadas covalentemente .

A pesquisa para encontrar catalisadores que podem converter água, dióxido de carbono e luz solar em carboidratos ou hidrogênio é um campo ativo atual. Ao estudar o complexo natural de evolução do oxigênio (OEC), os pesquisadores desenvolveram catalisadores como o "dímero azul" para imitar sua função. Células fotoeletroquímicas que reduzem o dióxido de carbono em monóxido de carbono (CO), ácido fórmico (HCOOH) e metanol (CH 3 OH) estão em desenvolvimento. No entanto, esses catalisadores ainda são muito ineficientes.

Catalisadores de hidrogênio

O hidrogênio é o combustível solar mais simples de sintetizar, pois envolve apenas a transferência de dois elétrons para dois prótons. Deve, no entanto, ser feito passo a passo, com a formação de um ânion hidreto intermediário :

2 e - + 2 H + ⇌ H + + H - ⇌ H 2

Os catalisadores de conversão de próton em hidrogênio presentes na natureza são as hidrogenases . Estas são enzimas que podem reduzir prótons a hidrogênio molecular ou oxidar hidrogênio a prótons e elétrons. Estudos espectroscópicos e cristalográficos de várias décadas resultaram em um bom entendimento da estrutura e do mecanismo da catálise da hidrogenase. Usando essas informações, várias moléculas que mimetizam a estrutura do sítio ativo das hidrogenases de níquel-ferro e ferro-ferro foram sintetizadas. Outros catalisadores não são mímicos estruturais da hidrogenase, mas sim funcionais. Os catalisadores sintetizados incluem modelos estruturais de cluster H, um fotocatalisador de diródio e catalisadores de cobalto .

Catalisadores de oxidação de água

A oxidação da água é uma reação química mais complexa do que a redução do próton. Na natureza, o complexo de evolução de oxigênio realiza essa reação acumulando equivalentes redutores (elétrons) em um agrupamento de manganês-cálcio dentro do fotossistema II (PS II) e, em seguida, entregando-os às moléculas de água, com a produção resultante de oxigênio molecular e prótons:

2 H 2 O → O 2 + 4 H + + 4e -

Sem um catalisador (natural ou artificial), essa reação é muito endotérmica, exigindo altas temperaturas (pelo menos 2500 K).

A estrutura exata do complexo de evolução do oxigênio tem sido difícil de determinar experimentalmente. Em 2011, o modelo mais detalhado era de uma estrutura de cristal de resolução de 1,9 Å do fotossistema II. O complexo é um aglomerado contendo quatro íons de manganês e um de cálcio , mas a localização exata e o mecanismo de oxidação da água dentro do aglomerado são desconhecidos. No entanto, complexos bioinspirados de manganês e manganês-cálcio foram sintetizados, como os aglomerados do tipo [Mn 4 O 4 ] cubano , alguns com atividade catalítica.

Alguns complexos de rutênio , como o "dímero azul" com ponte µ-oxo dinuclear (o primeiro desse tipo a ser sintetizado), são capazes de oxidar-se com água pela luz, graças à capacidade de formar estados de alta valência . Neste caso, o complexo de rutênio atua como fotossensibilizador e catalisador. Esses complexos e outros catalisadores moleculares ainda atraem pesquisadores da área, apresentando diferentes vantagens como estrutura clara, sítio ativo e mecanismo de fácil estudo. Um dos principais desafios a serem superados é sua estabilidade a curto prazo e sua efetiva heterogeneização para aplicações em dispositivos de fotossíntese artificial.

Muitos óxidos metálicos têm sido encontrados para possuir actividade catalítica de oxidação da água, incluindo ruténio (IV) (RuO 2 ), irídio (IV) óxido (IrO 2 ), óxidos de cobalto (incluindo níquel - dopado Co 3 O 4 ), óxido de manganês ( incluindo MnO 2 em camadas (birnessita), Mn 2 O 3 ) e uma mistura de Mn 2 O 3 com CaMn 2 O 4 . Os óxidos são mais fáceis de obter do que os catalisadores moleculares, especialmente aqueles de metais de transição relativamente abundantes (cobalto e manganês), mas sofrem de baixa frequência de turnover e propriedades de transferência de elétrons lentas , e seu mecanismo de ação é difícil de decifrar e, portanto, de ajustar.

Recentemente, materiais baseados em Metal-Organic Framework (MOF) mostraram ser um candidato altamente promissor para oxidação em água com metais de transição de primeira linha. A estabilidade e sintonia deste sistema são projetadas para serem altamente benéficas para o desenvolvimento futuro.

Fotossensibilizadores

Estrutura de [Ru (bipy) 3 ] 2+ , um fotossensibilizador amplamente utilizado.

A natureza usa pigmentos , principalmente clorofilas , para absorver uma ampla parte do espectro visível. Os sistemas artificiais podem usar um tipo de pigmento com uma ampla faixa de absorção ou combinar vários pigmentos para o mesmo propósito.

Complexos de polipiridina de rutênio , em particular tris (bipiridina) rutênio (II) e seus derivados, têm sido amplamente utilizados na fotoprodução de hidrogênio devido à sua absorção de luz visível eficiente e ao estado de excitação de transferência de carga de metal para ligante de longa duração , o que torna o complexos agentes redutores fortes. Outros complexos contendo metais nobres usados ​​incluem aqueles com platina , ródio e irídio .

Complexos orgânicos livres de metal também têm sido empregados com sucesso como fotossensibilizadores. Os exemplos incluem eosina Y e rosa bengala . Anéis de pirrolo, como porfirinas, também têm sido usados ​​no revestimento de nanomateriais ou semicondutores para catálise homogênea e heterogênea.

Como parte dos esforços de pesquisa atuais, sistemas de antenas fotônicas artificiais estão sendo estudados para determinar maneiras eficientes e sustentáveis ​​de coletar luz para a fotossíntese artificial. Gion Calzaferri (2009) descreve uma dessas antenas que usa zeólita L como hospedeira para corantes orgânicos, para imitar os sistemas de coleta de luz das plantas. A antena é fabricada inserindo moléculas de corante nos canais do zeólito L. O processo de inserção, que ocorre sob vácuo e em condições de alta temperatura, é possível devido ao movimento vibracional cooperativo da estrutura do zeólito e das moléculas do corante. O material resultante pode ser conectado a um dispositivo externo por meio de uma torneira intermediária.

Catalisadores de redução de dióxido de carbono

Na natureza, a fixação de carbono é feita por plantas verdes usando a enzima RuBisCO como parte do ciclo de Calvin . RuBisCO é um catalisador bastante lento em comparação com a grande maioria das outras enzimas, incorporando apenas algumas moléculas de dióxido de carbono na ribulose-1,5-bifosfato por minuto, mas o faz à pressão atmosférica e em condições biológicas moderadas. O produto resultante é ainda mais reduzido e eventualmente utilizado na síntese de glicose , que por sua vez é um precursor de carboidratos mais complexos , como celulose e amido . O processo consome energia na forma de ATP e NADPH .

A redução artificial de CO 2 para a produção de combustível visa principalmente a produção de compostos de carbono reduzidos a partir do CO 2 atmosférico . Alguns complexos de polifosfina de metal de transição foram desenvolvidos para esse fim; entretanto, eles geralmente requerem concentração prévia de CO 2 antes do uso, e transportadores (moléculas que fixariam CO 2 ) que são estáveis ​​em condições aeróbicas e capazes de concentrar CO 2 em concentrações atmosféricas ainda não foram desenvolvidos. O produto mais simples da redução de CO 2 é o monóxido de carbono (CO), mas para o desenvolvimento de combustível, é necessária uma redução adicional, e uma etapa chave que também precisa de desenvolvimento é a transferência de ânions de hidreto para CO.

Produção fotobiológica de combustíveis

Alguns microrganismos fotoautotróficos podem, sob certas condições, produzir hidrogênio. Microrganismos fixadores de nitrogênio, como as cianobactérias filamentosas , possuem a enzima nitrogenase , responsável pela conversão do N 2 atmosférico em amônia ; o hidrogênio molecular é um subproduto dessa reação e, muitas vezes, não é liberado pelo microrganismo, mas sim absorvido por uma hidrogenase que oxida o hidrogênio (absorção). Uma maneira de forçar esses organismos a produzir hidrogênio é, então, aniquilar a atividade da hidrogenase de absorção. Isso foi feito em uma cepa de Nostoc punctiforme : um dos genes estruturais da hidrogenase de absorção de NiFe foi inativado por mutagênese por inserção , e a cepa mutante apresentou evolução de hidrogênio sob iluminação.

Muitos desses fotoautotróficos também têm hidrogenases bidirecionais, que podem produzir hidrogênio sob certas condições. No entanto, outras vias metabólicas que demandam energia podem competir com os elétrons necessários para a redução de prótons, diminuindo a eficiência do processo geral; além disso, essas hidrogenases são muito sensíveis ao oxigênio.

Vários biocombustíveis à base de carbono também foram produzidos usando cianobactérias, como o 1-butanol.

Prevê-se que as técnicas de biologia sintética sejam úteis para este tópico. A engenharia microbiológica e enzimática tem o potencial de melhorar a eficiência e robustez da enzima, bem como construir novas vias metabólicas produtoras de biocombustíveis em fotoautotrofos que anteriormente não os tinham, ou melhorar os existentes. Outro tópico em desenvolvimento é a otimização de fotobiorreatores para aplicação comercial.

Técnicas de pesquisa empregadas

A pesquisa em fotossíntese artificial é necessariamente um tópico multidisciplinar, exigindo uma multiplicidade de conhecimentos diferentes. Algumas técnicas empregadas na fabricação e investigação de catalisadores e células solares incluem:

Vantagens, desvantagens e eficiência

As vantagens da produção de combustível solar por meio da fotossíntese artificial incluem:

  • A energia solar pode ser convertida e armazenada imediatamente. Nas células fotovoltaicas , a luz do sol é convertida em eletricidade e então convertida novamente em energia química para armazenamento, com alguma perda necessária de energia associada à segunda conversão.
  • Os subprodutos dessas reações são ecologicamente corretos. O combustível fotossintetizado artificialmente seria uma fonte de energia neutra em carbono , que poderia ser usada para transporte ou residências.

As desvantagens incluem:

  • Os materiais usados ​​para a fotossíntese artificial freqüentemente sofrem corrosão na água, então podem ser menos estáveis ​​do que os fotovoltaicos por longos períodos de tempo. A maioria dos catalisadores de hidrogênio são muito sensíveis ao oxigênio, sendo inativados ou degradados em sua presença; além disso, podem ocorrer fotodanos ao longo do tempo.
  • O custo (ainda) não é vantajoso o suficiente para competir com os combustíveis fósseis como fonte de energia comercialmente viável.

Uma preocupação geralmente abordada no projeto do catalisador é a eficiência, em particular quanto da luz incidente pode ser usada em um sistema na prática. Isso é comparável à eficiência fotossintética , onde a conversão de luz em energia química é medida. Organismos fotossintéticos são capazes de coletar cerca de 50% da radiação solar incidente, porém o limite teórico de eficiência fotossintética é de 4,6 e 6,0% para plantas C3 e C4 respectivamente. Na realidade, a eficiência da fotossíntese é bem menor e costuma ficar abaixo de 1%, com algumas exceções como a cana-de-açúcar em clima tropical. Em contraste, a maior eficiência relatada para protótipos de laboratório de fotossíntese artificial é de 22,4%. No entanto, as plantas são eficientes no uso de CO 2 em concentrações atmosféricas, algo que os catalisadores artificiais ainda não conseguem realizar.

Veja também

Referências

links externos