Artigo principal de 2021

Há um esforço crescente para estabelecer um sistema de geração de energia de alta tecnologia, inspirado fundamentalmente na própria natureza: a fotossíntese artificial.

Dr. Raj Shah, Sra. Eliana Matsil, Sra. Gabrielle Massoud | Koehler Instrument Company

A urgência de criar um substituto limpo para nosso suprimento de energia de combustível fóssil está aumentando exponencialmente. O estudo da fotossíntese artificial como fonte de energia renovável vem sendo realizado há décadas. Essa abordagem usa técnicas biomiméticas para replicar o processo de fotossíntese natural, que usa recursos abundantes de luz solar, água e dióxido de carbono para produzir oxigênio e carboidratos ricos em energia. Ao replicar essa operação, os pesquisadores são capazes de projetar sistemas que utilizam esses recursos naturais para converter energia solar em energia química e armazená-la nas ligações de um combustível. Os combustíveis que podem ser produzidos por fotossíntese artificial incluem hidrocarbonetos como ácido fórmico (HCOOH), metanol (CH3OH), monóxido de carbono (CO) e metano (CH4) ou combustível de hidrogênio puro. Os processos químicos envolvidos na fotossíntese artificial incluem a divisão da água em oxigênio e hidrogênio, ou a redução do dióxido de carbono em vários hidrocarbonetos. Esses processos são realizados por um punhado de designs de dispositivos, incluindo células fotoeletroquímicas ou eletrolisadores acoplados a fotovoltaicos. Cada função é impulsionada pela energia extraída dos fótons da luz solar, bem como por catalisadores adequados. Existe também um método comum de combinar componentes vantajosos da fotossíntese natural e da fotossíntese artificial para criar um sistema de fotossíntese semi-artificial, envolvendo a incorporação de enzimas ou mesmo aplicações de células inteiras em dispositivos sintéticos. No entanto, existem várias limitações para o avanço desse campo centradas na incapacidade de estabelecer um sistema que demonstre as características importantes de custo-benefício, durabilidade a longo prazo e excelente eficiência. No entanto, a busca por materiais adequados continua, pois os pesquisadores estão ansiosos para instituir um dispositivo viável que esteja pronto para aplicação industrial. O emprego em larga escala da fotossíntese artificial pode potencialmente fornecer à sociedade energia renovável e armazenável na forma de combustíveis valiosos. Os hidrocarbonetos produzidos podem atuar como substitutos dos combustíveis fósseis, e o hidrogênio puro também pode ser usado como combustível ou canalizado para uma célula de combustível para gerar eletricidade. Dispositivos artificiais de fotossíntese também podem funcionar como limpadores atmosféricos, extraindo o excesso de dióxido de carbono do ambiente e liberando oxigênio de volta para ele. Embora haja um longo caminho a percorrer, uma sociedade alimentada por energia gerada a partir da fotossíntese artificial é desejável, e o esforço até esta data mostra uma boa promessa.

Com o avanço da sociedade, a necessidade de desenvolver uma fonte renovável de energia que seja alternativa aos nossos padrões nocivos é cada vez mais presente. O uso de combustíveis fósseis convencionais continua a esgotar os recursos naturais e a emitir gases de efeito estufa que prejudicam a segurança do meio ambiente. Ao longo dos anos, os cientistas exploraram inúmeros substitutos que poderiam contribuir para diminuir nossa dependência de combustíveis fósseis, que representam cerca de 80% do suprimento mundial de energia [1]. Assim, há um esforço crescente para estabelecer um sistema de geração de energia de alta tecnologia, inspirado fundamentalmente na própria natureza. Esse conceito é chamado de fotossíntese artificial; ele é projetado para imitar as reações biológicas que ocorrem dentro de plantas naturais, algas e algumas bactérias para produzir essencialmente sua própria energia que armazenam em ligações químicas [2].

O sol fornece energia suficiente na superfície da terra a cada trinta minutos para suprir as demandas de energia da humanidade por um ano inteiro [3]. Ao contrário dos combustíveis fósseis, que são distribuídos de forma desigual em todo o mundo, muitas vezes causando tensão política ou problemas de disponibilidade [1], a luz solar está enormemente disponível e geograficamente dispersa [4]. Muitos argumentam que a única fonte forte o suficiente para alimentar a sociedade a longo prazo é a energia solar [5]. Em outras palavras, o sol é nossa única esperança.