Estudo abre novas dimensões na produção de fotocatalisadores de nitreto de carbono mais eficientes para a transição energética

Pesquisadores da UFSCar, em colaboração com grupos de pesquisa de instituições da Alemanha, Suíça, Rússia, Estados Unidos e Suécia, detalham um novo método para aprimorar o desempenho dos nitretos de carbono, semicondutores à base de carbono e nitrogênio, em processos de fotocatálise, nos quais a luz é usada para acelerar reações químicas pela ação de um catalisador. O estudo, publicado na Advanced Functional Materials, detalha que, apesar desses materiais serem promissores no avanço de tecnologias mais limpas, sua aplicação industrial ainda apresenta limitações devido a algumas de suas propriedades, como alta recombinação de carga, baixa transferência de elétrons e absorção insuficiente de luz, o que faz com que parte da energia gerada não seja aproveitada na reação. Para superar esses desafios, os autores investigaram como modificações controladas da estrutura cristalina dos nitretos de carbono poderiam otimizar sua eficiência como fotocatalisadores.

O interesse pelos nitretos de carbono decorre do fato de serem materiais que se destacam como uma opção sustentável para a geração de hidrogênio (H₂) a partir da água, considerado um processo chave para a transição energética e redução da dependência de recursos fósseis. Além disso, sua síntese é simplificada e de baixo custo, partindo de precursores simples, uma vez que são materiais compostos apenas de elementos abundantes (carbono e nitrogênio). Entre as classe de nitretos de carbono, os poli(heptazina imidas) (PHIs) estão entre os materiais com maior grau de cristalinidade. Isso significa que a disposição dos seus átomos de carbono e nitrogênio estão bem organizadas e padronizadas, formando uma rede cristalina, o que permite ajustes mais precisos de sua estrutura e, assim, de suas propriedades. Por isso, os pesquisadores usaram os PHIs como um sistema modelo para investigar como o desempenho desses materiais na fotocatálise pode ser modulado.

Para isso, foram produzidos e caracterizados diferentes variantes dos PHIs, incorporando em sua estrutura cátions como sódio (Na+), potássio (K+), magnésio (Mg2+) e próton (H+). Como resultado, a equipe identificou que o desempenho no teste fotocatalítico aumentou na ordem: H-PHI, K-PHI, Na-PHI e Mg-PHI, levando o grupo a concentrar a investigação nos dois menos explorados até então, Na-PHI e Mg-PHI. A presença de íons de Na+ e a ocorrência de pequenas alterações nas camadas que compõem a estrutura do PHI, chamados de defeitos rotacionais, resultaram em uma otimização na transferência de carga e, consequentemente, maior atividade fotocatalítica. Porém, a eficiência foi ainda maior com o Mg2+, achado atribuído pelos autores à maior valência desses íons em combinação com as distorções rotacionais causadas por ele na estrutura do PHI. Nesse caso, a maior valência do Mg2+  parece intensificar a densidade de carga e facilitar ainda mais a movimentação de elétrons entre as camadas do material.

Para o Prof. Dr. Ivo Freitas Teixeira, coautor do estudo, docente do Departamento de Química da UFSCar e integrante do Centro de Excelência para Pesquisa em Química Sustentável (CERSusChem), “Este trabalho representa um estudo fundamental que contribui de forma importante para compreender o papel promotor do Mg na evolução de H₂ em materiais à base de nitretos de carbono. A elucidação desse mecanismo fornece uma base científica sólida para o desenho racional de fotocatalisadores mais eficientes. Além disso, pelo fato de o cátion Mg²⁺ ser abundante e de baixo custo, a estratégia de dopagem apresentada pode ser expandida para outros sistemas catalíticos, o que tem potencial de impactar significativamente o desenvolvimento de tecnologias acessíveis e sustentáveis voltadas à transição energética”. A publicação, “Enhancing the Photocatalytic Performance of Carbon Nitrides Through Controlled Local Structure Modification”, pode ser lida na íntegra em: https://doi.org/10.1002/adfm.202511389.