Cientistas do Laboratório Nacional das Montanhas Rochosas (NLR) fizeram um avanço significativo na utilização da luz solar de alta energia para a produção de combustíveis. A equipe descobriu que um semicondutor de silício, quando acoplado a um catalisador molecular, pode capturar a luz solar de alta energia que normalmente não é aproveitada por plantas ou painéis solares convencionais. Essa energia pode ser utilizada para impulsionar reações químicas, como a conversão de dióxido de carbono e água em combustíveis hidrocarbonetos ou a síntese de fertilizantes a partir do gás nitrogênio, que compõe 20% da nossa atmosfera.
O estudo, publicado no Journal of the American Chemical Society, destaca o potencial dessa tecnologia no campo da fotocatálise e da fotossíntese artificial. Nathan Neale, cientista de pesquisa do NLR e autor principal do artigo, explicou que o sistema híbrido de semicondutor-catalisador molecular mantém os elétrons gerados pela luz solar energéticos por tempo suficiente para serem utilizados em reações químicas. Neale enfatizou que o objetivo é maximizar a quantidade de energia que podemos extrair do sol, já que atualmente, os painéis solares utilizam cerca de 20% da energia da luz incidente, enquanto plantas e outros organismos fotossintéticos utilizam apenas 1%.
Os elétrons de alta energia geralmente perdem rapidamente sua energia em materiais ao se acoplarem a vibrações moleculares, aquecendo o ambiente ao redor. No entanto, ao misturar estados eletrônicos entre o semicondutor de silício que capta a luz e o catalisador molecular, o material desenvolvido manteve os elétrons ‘quentes’ por pelo menos cinco nanossegundos. Isso é significativamente mais longo do que os poucos femtossegundos normalmente observados para o resfriamento de elétrons em silício. Os pesquisadores conseguiram essas vidas mais longas dos elétrons manipulando a química molecular na superfície do semicondutor, utilizando um grupo de ligação específico, a unidade etilenopiridina, que fundiu o nanocristal de silício ao catalisador e permitiu a formação de um estado eletrônico híbrido.
Essa descoberta é uma nova abordagem para pensar sobre essas pontes moleculares. Os pesquisadores confirmaram o papel do elo molecular usando vários métodos de espectroscopia para estudar o híbrido semicondutor/catalisador. Em seguida, realizaram cálculos mecânicos quânticos para modelar os fotoeletrônicos exatos, descobrindo que os estados eletrônicos misturados permitem que os elétrons quentes se espalhem tanto no silício quanto no catalisador.
Embora os semicondutores que convertem diretamente a luz solar em combustível ainda não sejam produtos energéticos convencionais, este trabalho se baseia em pesquisas amplamente difundidas para demonstrar que tal tecnologia é viável. Ao utilizar essas descobertas para manter os elétrons quentes por mais tempo, engenheiros poderiam dividir a água para criar hidrogênio ou o dióxido de carbono para criar combustíveis hidrocarbonetos, colhendo mais energia. Este trabalho foi apoiado pelo programa de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia dos EUA e realizado em laboratórios no NLR.
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