Inspirado em mecanismos encontrados na natureza, material desenvolvido na USP mantém o gás disponível próximo ao local da reação e aumenta o aproveitamento do carbono

E se fosse possível criar um pequeno “reservatório” de dióxido de carbono (CO₂) dentro de um material, mantendo o gás disponível justamente no lugar em que ele será transformado? Foi a partir dessa ideia que pesquisadores do Instituto de Química de São Carlos (IQSC-USP) desenvolveram um nanorreator capaz de concentrar CO₂ em regiões microscópicas e, com isso, favorecer sua conversão em outros compostos.

Inspirada em mecanismos encontrados na natureza, a estrutura funciona como um ambiente químico em miniatura: enquanto uma enzima ajuda a produzir CO₂ continuamente a partir de uma forma de carbono abundante na água, a própria arquitetura do material contribui para que essas moléculas permaneçam próximas dos locais onde ocorre a reação. Em vez de depender apenas do CO₂ que chega de outras regiões da solução, o sistema passa a contar com uma fonte local do gás.

Os resultados foram publicados no Journal of the American Chemical Society (JACS), um dos principais periódicos científicos internacionais da área de Química. O trabalho foi desenvolvido integralmente por pesquisadores brasileiros e tem como primeira autora Fhysmélia F. Albuquerque, doutoranda do IQSC.

“O que queríamos trazer da natureza era a capacidade de organizar moléculas no espaço. A natureza consegue manter reagentes próximos, controlar sua disponibilidade e evitar que se dispersem antes de serem utilizados. Foi essa estratégia que procuramos reproduzir”, explica Fhysmélia.

Uma estratégia emprestada da natureza

A inspiração para o trabalho veio de organismos fotossintéticos que desenvolveram maneiras eficientes de administrar o carbono antes de utilizá-lo. Em algumas bactérias, por exemplo, existem pequenos compartimentos celulares chamados carboxissomos, que ajudam a concentrar CO₂ próximo das enzimas responsáveis por incorporá-lo a outras moléculas.

É como se, em vez de esperar que o reagente chegasse por acaso ao local certo, esses organismos construíssem uma pequena área de abastecimento ao redor da reação. Foi esse princípio — e não uma reprodução exata da estrutura biológica — que os pesquisadores procuraram transportar para um material artificial.

No sistema desenvolvido no IQSC, uma enzima conhecida como anidrase carbônica foi incorporada a estruturas microscópicas de fosfato de cobre que, vistas ao microscópio, apresentam uma organização semelhante à de pequenas flores. Daí o nome “nanoflores” utilizado pelos pesquisadores.

A função da enzima é especialmente importante porque o CO₂ disponível na água representa apenas parte do carbono presente no sistema. Em condições próximas da neutralidade, grande parte desse carbono encontra-se na forma de bicarbonato — a mesma espécie química presente, por exemplo, em sais de bicarbonato. A enzima acelera a conversão entre bicarbonato e CO₂ e permite que novas moléculas do gás sejam rapidamente disponibilizadas à medida que outras são consumidas pela reação.

Ela não aumenta artificialmente a quantidade total de carbono nem altera o equilíbrio químico do sistema. O que faz é acelerar um processo que já ocorreria naturalmente. Ao combinar essa transformação rápida com uma estrutura que aproxima a geração e o consumo do CO₂, os pesquisadores conseguiram modificar o ambiente imediatamente ao redor da reação.

“Não queríamos simplesmente construir mais um catalisador. A pergunta era se poderíamos controlar o espaço ao redor da reação, de maneira semelhante ao que a natureza faz”, afirma Frank N. Crespilho, professor do IQSC e coordenador do Laboratório de Bioeletroquímica e Interfaces.

Na prática, o material passa a funcionar como um nanorreator. O CO₂ é produzido e consumido em distâncias extremamente pequenas e, ao mesmo tempo, encontra mais dificuldade para se dispersar rapidamente pelo restante da solução. Dessa combinação surge o que os pesquisadores descrevem como um reservatório local de CO₂.

Como saber se o “reservatório” realmente existe?

Demonstrar que esse fenômeno estava de fato acontecendo foi uma das etapas centrais do estudo. Não bastava mostrar que o material apresentava melhor desempenho: era preciso descobrir onde o CO₂ estava durante o processo.

Para isso, os pesquisadores recorreram a uma técnica capaz de produzir mapas químicos de regiões microscópicas da amostra. O método, chamado imageamento hiperespectral por micro-FTIR, utiliza luz infravermelha para identificar sinais característicos de determinadas moléculas e mostrar como eles se distribuem pelo material.

Em uma análise química convencional, o resultado pode representar uma média de toda a amostra. É como saber a temperatura média de uma cidade sem descobrir quais bairros estão mais quentes ou mais frios. O imageamento utilizado no estudo acrescenta justamente essa dimensão espacial: permite observar em quais regiões determinado sinal químico aparece com maior intensidade.

Foi assim que os pesquisadores identificaram um sinal mais intenso associado ao CO₂ justamente nas regiões ocupadas pelas nanoflores que continham a enzima. Quando repetiram o experimento com uma estrutura semelhante, mas sem a enzima, o mesmo acúmulo localizado não apareceu.

A comparação é importante porque os dois materiais apresentam uma arquitetura porosa semelhante. Se a simples existência de pequenos espaços na estrutura fosse suficiente para aprisionar CO₂, o fenômeno deveria aparecer também no material sem a enzima. Os experimentos indicaram, porém, que o reservatório resulta da atuação conjunta dos dois mecanismos: a geração rápida de CO₂ e sua permanência temporária naquele ambiente microscópico.

“Quando fazemos apenas uma medida global, perdemos as diferenças existentes dentro do próprio material. Com o micro-FTIR conseguimos enxergar espacialmente a química e relacioná-la diretamente à estrutura”, explica Crespilho.

Segundo o professor, a possibilidade de visualizar a distribuição das moléculas permite pensar em uma espécie de “microscopia química da descarbonização”, na qual os cientistas conseguem investigar não apenas se determinada reação ocorreu, mas também como o carbono se comportou antes de ser transformado.

Mais CO₂ disponível, maior aproveitamento do carbono

Depois de demonstrar a formação desse reservatório microscópico, os pesquisadores investigaram se ele realmente poderia melhorar a transformação eletroquímica do CO₂ — processo no qual energia elétrica é utilizada para promover reações químicas.

Os resultados mostraram que sim. O material contendo a enzima apresentou uma corrente associada à reação mais de 50% superior à observada na estrutura equivalente sem atividade enzimática. Testes adicionais também ajudaram a demonstrar que a melhora não ocorreu simplesmente porque havia uma superfície maior disponível para a reação, mas estava relacionada à maior disponibilidade de CO₂ nas proximidades do material.

Essa diferença também apareceu na formação dos produtos. Após cinco horas de experimento, na melhor condição testada, cerca de 69,7% da corrente elétrica empregada foi utilizada na geração dos produtos de redução de CO₂ analisados, principalmente formiato e acetato, compostos à base de carbono que podem servir como matérias-primas em diferentes processos químicos. Na estrutura sem a enzima, esse percentual ficou em 16,15%.

Isso não significa que 69,7% de todo o CO₂ presente no experimento tenha sido convertido. O número indica outra coisa: de toda a eletricidade fornecida ao sistema, essa foi a parcela efetivamente direcionada à formação dos produtos de interesse. Em reações eletroquímicas, parte da energia pode ser consumida por processos concorrentes.

Um deles é justamente a produção de hidrogênio. Os experimentos mostraram que, na presença da enzima, essa reação passou a ocorrer apenas quando potenciais elétricos mais elevados eram aplicados. A maior disponibilidade local de CO₂, portanto, também ajudou a favorecer a utilização do carbono antes que a produção de hidrogênio se tornasse competitiva.

Os resultados chamam atenção ainda para outro aspecto: colocar mais enzima no material não significou automaticamente obter um desempenho melhor. As melhores respostas apareceram em estruturas com quantidades menores da proteína. Segundo os pesquisadores, isso ocorre porque o funcionamento do nanorreator depende de um equilíbrio entre diferentes fatores, como a capacidade de gerar CO₂, o espaço disponível para a reação e a facilidade com que as moléculas circulam pela estrutura.

A conclusão reforça uma das principais mensagens do estudo. Para melhorar a conversão de CO₂, pode não ser suficiente desenvolver superfícies cada vez mais eficientes para realizar a reação. Também é necessário pensar no ambiente que existe ao redor delas: onde o reagente está, como chega ao local da transformação e quanto tempo permanece disponível.

Do microscópico às futuras tecnologias de descarbonização

O nanorreator desenvolvido no IQSC ainda é uma tecnologia experimental e não está pronto para retirar CO₂ diretamente da atmosfera ou de emissões industriais. O avanço demonstrado pelo estudo é mais fundamental: mostrar que o transporte e a disponibilidade do carbono também podem ser planejados como parte de um material.

Modelos utilizados pela equipe indicam que, com a presença da enzima, a região em que geração, transporte e consumo de CO₂ estão fortemente conectados pode ficar restrita a dimensões nanométricas. Os autores ressaltam, no entanto, que essa escala é uma estimativa do modelo matemático, e não uma medida direta do tamanho de um reservatório físico.

O princípio poderá ser explorado futuramente no desenvolvimento de sistemas bioeletroquímicos, novos materiais e processos voltados à utilização de carbono. A perspectiva é compreender quais características desse ambiente microscópico podem ser reproduzidas em dispositivos maiores e, eventualmente, em condições de interesse tecnológico.

Essa passagem da pesquisa fundamental para aplicações em maior escala também está relacionada à DesCarb, iniciativa voltada ao desenvolvimento de tecnologias brasileiras de descarbonização. Entre as estratégias estudadas estão sistemas com microalgas, que utilizam CO₂ durante a fotossíntese, além de soluções envolvendo bioeletroquímica, materiais e engenharia de reatores. A proposta é aproximar diferentes conhecimentos científicos das demandas industriais.

A ampliação de escala, porém, representa um desafio diferente daquele enfrentado no estudo publicado no JACS. No laboratório, os pesquisadores conseguem observar e controlar fenômenos que acontecem em espaços microscópicos; em uma eventual aplicação industrial, seria necessário reproduzir seus efeitos em volumes muito maiores e sob condições mais complexas.

“O laboratório nos permite descobrir os princípios. A inovação começa quando conseguimos transformar esses princípios em algo que possa funcionar em condições reais”, afirma Crespilho.

Ciência desenvolvida no Brasil

Além dos resultados científicos, o trabalho se destaca por ter sido realizado integralmente por pesquisadores brasileiros. Da preparação dos materiais aos experimentos eletroquímicos e às análises utilizadas para visualizar a distribuição do CO₂, todas as etapas foram conduzidas no país.

Além de Fhysmélia F. Albuquerque e Frank N. Crespilho, assinam o artigo Artur C. Souza, Matheus S. Corsino, Lucas D. Paquini, Graziela C. Sedenho, Rafael N. P. Colombo e Fabio H. B. Lima. A pesquisa recebeu financiamento da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).

Matéria: Fontes Comunicação Científica