A fotossíntese artificial é um processo químico que imita o processo natural da fotossíntese para converter luz solar, água e dióxido de carbono em carboidratos e oxigénio. O termo fotossíntese artificial é 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 hidrogénio e oxigênio e é um importante tópico de pesquisa da fotossíntese artificial. A redução de dióxido de carbono impulsionada pela luz é outro processo estudado que replica a fixação natural de carbono.
A pesquisa neste tópico inclui o projecto e montagem de dispositivos para a produção direta de combustíveis solares, fotoelectroquímica e sua aplicação em células de combustível, e a engenharia de enzimas e microrganismos fotoautotróficos para produção de biocombustível microbiano e biohidrogénio a partir da luz solar.
Visão geral
A reacção fotossintética pode ser dividida em duas semi-reacções de oxidação e redução, ambas essenciais para a produção de combustível. Na fotossíntese das plantas, as moléculas de água são foto-oxidadas para libertar oxigénio e prótons. A segunda fase da fotossíntese das plantas (também conhecida como ciclo de Calvin-Benson) é uma reação independente da luz que converte o dióxido de carbono em glicose (combustível). Pesquisadores da fotossíntese artificial estão a desenvolver fotocatalisadores capazes de realizar essas duas reações. Além disso, os prótons resultantes da separação da água podem ser usados para a produção de hidrogênio. Esses catalisadores devem ser capazes de reagir rapidamente e absorver uma grande percentagem dos fótons solares incidentes.
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 facto de a luz solar não ser constante ao longo do dia estabelece um limite para o seu uso. Uma forma de utilizar 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 própria baixa eficiência da fotossíntese em converter luz solar em biomassa), o custo de colheita e transporte do combustível, e conflitos devido à crescente necessidade de massa de terra para a produção de alimentos. O objectivo da fotossíntese artificial é produzir um combustível a partir da luz solar que pode ser armazenado convenientemente e usado quando a luz solar não estiver 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 as únicas fontes necessárias para a produção de energia limpa. O único subproduto seria o oxigénio, e a produção de um combustível solar tem potencial para ser mais barata que a gasolina.
Um processo para a criação de uma fonte de energia limpa e acessível é o desenvolvimento de separação fotocatalítica de água sob luz solar. Este método de produção sustentável de hidrogênio é um objetivo importante para o desenvolvimento de sistemas alternativos de energia. Também se prevê que seja uma das formas mais, se não a mais eficiente, de obter hidrogénio da água. A conversão de energia solar em hidrogénio por meio de um processo de divisão de água assistido por catalisadores fotossemicondutores é uma das tecnologias mais promissoras em desenvolvimento. Este processo tem o potencial de gerar grandes quantidades de hidrogénio de maneira ecologicamente correcta. A conversão da energia solar em um combustível limpo (H2) em condições ambientais é um dos maiores desafios enfrentados pelos cientistas no vinte e primeiro século.
Dois métodos são geralmente reconhecidos para a construção de células de combustível solares para produção de hidrogénio:
Um sistema homogéneo é aquele em que os catalisadores não são compartimentados, ou seja, os componentes estão presentes no mesmo compartimento. Isso significa que o hidrogénio e oxigénio 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 eléctrodos separados, um ânodo e um cátodo, possibilitando a separação da produção de oxigênio e hidrogênio. Além disso, componentes diferentes não precisam necessariamente trabalhar nas mesmas condições. No entanto, o aumento da complexidade desses sistemas torna-os 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 cepas são capazes de produzir hidrogénio naturalmente, e os cientistas estão a trabalhar para melhorá-las. Os biocombustíveis de algas, como butanol e metanol, são produzidos em escala laboratorial e comercial. Este método beneficiou-se do desenvolvimento da biologia sintéctica, que também está sendo explorada pelo J. Craig Venter Institute para produzir um organismo sintéctico capaz de produzir biocombustíveis. Em 2017, um processo eficiente foi desenvolvido para produzir ácido acético a partir de dióxido de carbono usando "bactérias ciborgues".