Grupo liderado por professor da Poli/USP quer retirar dióxido de carbono da atmosfera e transformá-lo em produtos orgânicos com uso de nanopartículas de óxidos.

Reproduzir com nanopartículas de óxidos semicondutores o que a natureza faz durante o processo de fotossíntese, partindo da absorção de luz, CO2 e água: este é, em linhas gerais, o objetivo do projeto 31 do portfólio do FAPESP-SHELL Research Centre for Gas Innovation (RCGI). Inserido no programa de Abatimento de CO2, o projeto Produção de moléculas orgânicas a partir de CO2 e H2O por fotocatálise em nano-óxidos é coordenado pelo professor Douglas Gouvêa, do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (Poli-USP), especializado em nanopartículas. O objetivo é retirar o CO2 da atmosfera e transformá-lo em um produto orgânico, que poderá ser usado para outros fins posteriormente. Segundo Gouvêa, o “pulo do gato” da pesquisa é a maneira como ele e sua equipe pretendem fazer isso.

“Queremos utilizar, para esse fim, nosso conhecimento sobre a composição das interfaces das nanopartículas – e aí é que está a individualidade deste projeto, embora não seja algo original, pois há muita gente querendo usar nanopartículas para reproduzir fenômenos naturais.”

Ele explica que, na fotossíntese realizada pelas plantas, a clorofila absorve uma determinada quantidade de luz, transforma água em oxigênio e prótons – ou H+ – e usa os elétrons resultantes para poder fazer outras transformações, dentro da própria célula.

“Esses elétrons e prótons são levados para outro ciclo orgânico, em que o sistema absorve CO2, posteriormente transformando-o em açúcar. Ou seja: esse carbono assimilado da atmosfera foi transformado e usado para outras coisas”, diz Gouvêa.

É isso o que ele e sua equipe, composta por sete pesquisadores, estão tentando reproduzir, tendo como base nanopartículas de óxido de zinco e óxido de titânio, materiais semicondutores de “banda larga” (que absorvem luz ultravioleta do sol).

O pesquisador explica que é possível gerar cargas eletrônicas nesses semicondutores pela absorção de luz que promove o elétron da banda de valência para a banda de condução, criando um par elétron-buraco. Tanto a presença de elétrons em uma banda quanto a falta de elétrons em outra – os chamados buracos – têm funções químicas no sistema.

“Ao separar essas cargas, transformamos o elétron em um redutor e a ausência deste em um oxidante. As nanopartículas de semicondutores absorvem luz solar e conseguem fazer essa separação de carga.”

Segundo Gouvêa, quando as cargas são separadas, o próximo passo é concentrar os buracos em uma determinada região do sistema, e os elétrons em outra.

“Quando a água que está no ambiente, em forma de vapor, for adsorvida na superfície da partícula em que estão os “buracos”, sua estrutura molecular se enfraquecerá, possibilitando a reação que vai transformá-la em H+ e O2. Isso libera o oxigênio em forma gasosa e é a primeira fase da fotossíntese. O CO2 também será adsorvido, só que na porção da partícula que contém os elétrons; sua estrutura molecular enfraquecerá, e se combinará com o elétron e o H+ originário da reação anterior sendo transformado em um ácido orgânico, o ácido fórmico. Esse ácido pode então ser convertido em álcool, por exemplo. Dessa maneira, o que estamos promovendo é retirada do CO2 da atmosfera e sua transformação em um composto orgânico utilizando luz solar, como faz a natureza, só que gerando precursores químicos mais interessantes.”

Nesse projeto existe a colaboração com o Prof. Ricardo Castro da UC Davis, especialista em calorimetria de adsorção e do Prof. Guilherme Lens do Departamento de Metalurgia e Materiais da Poli, especialista em nanotubos de grafite. A intensão é elaborar nanopartículas estáveis com a composição química da superfície modulada para permitir a adsorção das espécies e as reações com os gases adsorvidos e a composição química dos contornos de grãos que permitam a livre transferência das cargas elétricas entre as nanopartículas de forma mais eficiente do que se conhece atualmente.

Outro objetivo do projeto a longo prazo é a produção de uma célula de fotocatálise, com ambiente controlado, para teste. Gouvêa acredita que, futuramente, será possível pensar em sistemas portáteis, locais – algo como placas de nanopartículas aditivadas – que possam ser colocadas em diversos ambientes: residências, escritórios, etc., para a transformação do CO2 da atmosfera em um composto orgânico que tenha outras finalidades.

“Água, CO2 e luz existem em qualquer lugar do mundo. Então, nossa perspectiva otimista para o futuro é criar uma fonte de armazenamento de energia química, que possa ser utilizada em qualquer lugar do planeta. As dimensões seriam ajustáveis – como um painel solar, por exemplo, que pode ser feito de vários tamanhos.”

O desafio energético do sistema, diz ele, é que a molécula de CO2 é muito estável.

“É preciso um ciclo biológico extremamente complexo para quebrar a estabilidade da molécula de CO2.

Abatimento de emissões de carbono é um dos objetivos do RCGI, criado há cerca de dois anos com financiamento da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) e da Shell. Atualmente, o RCGI tem um portfólio com 45 projetos de pesquisa, divididos em quatro programas:  Engenharia; Físico/Química; Políticas de Energia e Economia; e Abatimento de CO2.