Pesquisadores da UFSCar detalham novo material semicondutor promissor para o avanço de tecnologias sustentáveis

Pesquisadores da UFSCar, em parceria com uma equipe internacional de instituições da Alemanha e China, estão contribuindo para o avanço de tecnologias sustentáveis ao avaliar materiais que podem acelerar essa transição para soluções mais verdes. Em revisão publicada na Advanced Functional Materials, o grupo de pesquisa detalha o potencial dos poli(heptazina imidas) metálicos iônicos (PHIs), materiais com estrutura cristalina que servem como uma plataforma ideal para catalisadores de átomo único (SACs), substâncias que aceleram reações químicas e se caracterizam por ter átomos metálicos isolados dispersos no material suporte, o que maximiza a eficiência das reações. De acordo com os autores, os SACs baseados em PHIs apresentam elevada atividade catalítica e seletividade, abrindo caminho para novas transformações químicas e energéticas com aplicações que vão da produção industrial à geração de energia limpa e à proteção ambiental.

“Os PHIs são materiais semicondutores compostos apenas de carbono e nitrogênio. Isso faz deles muito promissores, uma vez que eles são compostos apenas de elementos abundantes e não tóxicos. Além disso, o preparo desses materiais é bem simples em comparação com outros materiais semicondutores. Dessa forma, esse material se mostra especialmente promissor para atacar os principais desafios dentro da área de energia, como por exemplo geração fotocatalítica de hidrogênio verde e redução de CO2”, explica 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).

São muitos os aspectos que tornam os PHIs tão promissores. Além da composição rica em carbono e nitrogênio, sua estrutura tem uma disposição em formato pseudo-hexagonal (lembra uma colmeia sem simetria), o que favorece a ancoragem e distribuição homogênea dos SACs e é o que os distingue dos nitretos de carbono poliméricos clássicos (PCN). Ao mesmo tempo, essa organização estrutural aumenta a capacidade de absorção de luz e facilita o transporte de cargas, todas propriedades que melhoram o desempenho do material. O estudo também descreve os principais métodos para produção dos PHIs, incluindo as abordagens bottom-up, que constrói o material ao juntar pequenas moléculas ricas em nitrogênio na presença de sais alcalinos como solventes, e top-down, que modifica com calor um material existente, como o PCN, de modo a reorganizar sua estrutura para a forma cristalina desejada. 

Os autores detalham que, além da menor complexidade, esses métodos superam uma antiga dificuldade na química em se fabricar PHIs com estrutura ordenada, o que constitui um importante passo para viabilizar a produção em escala, especialmente relevante diante das diversas aplicações desses materiais em frentes promissoras para o desenvolvimento sustentável. Entre elas, o artigo descreve seu uso em fotocatálise, fotoeletrocatálise e catálise de fotorredução orgânica, técnicas que utilizam luz solar como fonte de energia limpa para ativar catalisadores e promover reações químicas. Em particular, o uso dos PHIs para geração de hidrogênio verde, que é chave para o futuro da energia sustentável, é um destaque por superar a instabilidade de outros fotocatalisadores, colocando-os como materiais com potencial para a redução da dependência de combustíveis fósseis frente aos atuais desafios energéticos e ambientais.

Apesar dos avanços substanciais apresentados, alguns desafios permanecem. Segundo o pesquisador Prof. Dr. Ivo Freitas Teixeira, “Esses materiais ainda não são aplicados comercialmente por eles serem ainda muito recentes, logo pesquisas relacionadas ao escalonamento desses materiais ainda são necessárias”. Portanto, os PHIs estão em estágio inicial de desenvolvimento e, por isso, sua incorporação à indústria ainda requer novas pesquisas. A publicação, “Ionic Metal Poly(heptazine Imides) and Single-Atoms Interplay: Engineered Stability and Performance for Photocatalysis, Photoelectrocatalysis and Organic Synthesis”, pode ser lida na íntegra em: https://doi.org/10.1002/adfm.202501393.

Texto por Milena Rossales Castro.

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UFSCar researchers detail a new semiconductor material promising for advancing sustainable technologies

Researchers from Federal University of São Carlos (UFSCar), in collaboration with an international team from institutions in Germany and China, are contributing to the advancement of sustainable technologies by evaluating materials that can accelerate the transition to greener solutions. In a review published in Advanced Functional Materials, the research group highlights the potential of Poly(Heptazine Imides) (PHIs), crystalline materials that serve as an ideal platform for single-atom catalysts (SACs), substances that accelerate chemical reactions and are characterized by having isolated metal atoms dispersed on a support material, which maximizes reaction efficiency. According to the authors, PHI-based SACs exhibit high catalytic activity and selectivity, which opens possibilities for new chemical and energy transformations that can benefit from industrial production to clean energy generation and environmental protection.

“PHIs are semiconductor materials composed solely of carbon and nitrogen. This makes them very promising, as they are composed of abundant and non-toxic elements. Furthermore, the synthesis of these materials is relatively simple compared to other semiconductors. This way, PHIs are especially promising for tackling key challenges in the energy field, including  photocatalytic generation of green hydrogen and CO₂ reduction”, explains Professor Ivo Freitas Teixeira, co-author of the study, faculty member at UFSCar's Department of Chemistry and member of the Center of Excellence for Research in Sustainable Chemistry (CERSusChem).

Many aspects make PHIs so promising. In addition to their carbon and nitrogen-rich composition, their structure exhibits a pseudo-hexagonal arrangement (resembling an asymmetrical honeycomb), which promotes the anchoring and homogeneous distribution of SACs, an advantage over classic polymeric carbon nitrides (PCNs). At the same time, this structural organization increases their light absorption capacity and facilitates charge transport, all properties that improve the material’s performance. The study also describes the main methods for producing PHIs, including bottom-up approaches, which make the material by combining small nitrogen-rich molecules in the presence of alkaline salts as solvents, and top-down approaches, which use heat to modify an existing material as PCN, reorganizing its structure into the desired crystalline form.

The authors detail that, in addition to their lower complexity, these methods overcome a long-standing difficulty in chemistry of synthesizing PHIs with an ordered structure. This represents an important step toward enabling scalable production, which is particularly relevant given the broad range of applications these materials hold in promising areas for sustainable development. The article describes their use in photocatalysis, photoelectrocatalysis and organic photoreduction catalysis, techniques that use sunlight as a clean energy source to activate catalysts and promote chemical reactions. In particular, the use of PHIs for green hydrogen production, which is key to the future of sustainable energy, is a highlight because they overcome the instability of other photocatalysts, positioning PHIs as a potential material to reduce dependence on fossil fuels in the face of current energy and environmental challenges.

Despite the substantial progress presented, some challenges remain. According to Professor Ivo Freitas Teixeira, “These materials are not yet commercially applied because they are still very recent, so research focused on scaling up their production is still necessary”. Therefore, PHIs are in the initial stage of development and their incorporation into industrial applications still requires further research. The publication, “Ionic Metal Poly(heptazine Imides) and Single-Atoms Interplay: Engineered Stability and Performance for Photocatalysis, Photoelectrocatalysis and Organic Synthesis”, can be read in full at: https://doi.org/10.1002/adfm.202501393.