Da Luz Solar ao Combustível: o Prof. Ong Wee Jun Conduz a Iniciativa Malasia de Fotossíntese Artificial

Uma questão de infância torna-se uma missão nacional de energia

Quando era aluno do 4.º ano e aprendia sobre fotossíntese, Ong Wee Jun fez uma pergunta simples: poderia a luz solar ser captada, tal como as plantas fazem, para dar energia à vida moderna? Essa curiosidade tornou-se a obra da sua vida. O cientista malasio procura hoje o mesmo princípio com ferramentas da nanociência e da catálise, armazenando a luz solar nas ligações de combustíveis limpos.

O Prof. Dr. Ong é assistente do decano da Universidade Xiamen da Malásia e diretor fundador do Centre of Excellence for NaNo Energy & Catalysis Technology, conhecido como CONNECT. Ele e a sua equipa desenham folhas artificiais que reproduzem os passos essenciais da fotossíntese. Os seus dispositivos utilizam nanomateriais concebidos em substituição da clorofila para produzir moléculas ricas em energia.

A CONNECT explora a produção de hidrogénio a partir da água, a conversão de CO2 em metanol e outros químicos, e a transformação de resíduos plásticos em combustíveis. A visão a longo prazo inclui explorações modulares de hidrogénio movidas a energia solar, capazes de fornecer energia a comunidades rurais, aproximando a ciência de ponta das necessidades do dia a dia.

O que a fotossíntese artificial faz, na prática

A fotossíntese artificial utiliza materiais absorventes de luz e catalisadores para converter a luz solar em energia química. O dispositivo absorve fotões, cria cargas móveis e usa essas cargas para dividir a água ou reduzir o dióxido de carbono. O resultado é um combustível que pode ser armazenado, transportado e utilizado quando o sol não está a brilhar.

Na divisão da água, uma reação liberta oxigénio e a outra forma hidrogénio. Os semicondutores fornecem a energia enquanto os catalisadores reduzem a barreira de cada reação. O hidrogénio torna-se um vetor de energia para células de combustível e uma fonte limpa para amoníaco, siderurgia e refinação.

Converter CO2 em combustíveis segue a mesma abordagem. Catalisadores específicos direcionam os eletrões para transformar CO2 em monóxido de carbono, ácido fórmico ou metanol. Os dispositivos podem ser fotocatalisadores em pó, células fotoeletroquímicas com eletrodos absorventes de luz ou sistemas eletrocatalíticos alimentados por eletricidade renovável. O objetivo é o mesmo: operação estável, com elevada eficiência e custo razoável.

Dos avanços laboratoriais a projetos reais na Malásia

A CONNECT liga a descoberta à implementação através de colaborações com a indústria e o governo. Em agosto de 2024, a Universidade Xiamen da Malásia anunciou que o Prof. Ong recebeu uma subvenção do PETRONAS Academia Collaboration Dialogue, no valor de mais de RM1 milhão. O projeto visa utilizar a fotossíntese artificial movida a energia solar para converter o CO2 proveniente da queima de gás (flaring) em terminais de gás onshore em produtos químicos valiosos, abordando diretamente uma fonte de emissões industriais.

O programa da PETRONAS selecionou 61 projetos de 588 candidatos, provenientes de 25 universidades. Para a CONNECT, isto reforça um portfólio que inclui um protótipo de sistema sol-hidrogénio com conclusão prevista para meados de 2026, catalisadores concebidos para travar os gases com efeito de estufa e rotas que transformam resíduos do óleo de palmeira em grafeno e hidrogénio verde. O fio condutor que une estes esforços é simples: levar nanocatalisadores promissores de testes laboratoriais controlados para dispositivos robustos que funcionam a céu aberto.

Como funciona a ciência destes catalisadores

A fotossíntese artificial assenta em três pilares: materiais que absorvem a luz, arquiteturas que mantêm as cargas separadas e sítios catalíticos que tornam as reações rápidas e seletivas. A investigação da CONNECT constrói esses pilares com uma combinação de materiais bidimensionais, junções inteligentes e sítios superficiais abundantes na crosta terrestre.

Materiais bidimensionais e heteroestruturas

Os materiais bidimensionais, desde folhas de carbono semelhantes ao grafeno até dicalcogenetos de metais de transição, oferecem vias ultrafinas para as cargas. Empilhar uma folha 2D sobre outra cria uma ampla interface, um local onde os eletrões e os buracos se separam eficientemente. Ao escolher pares com energias de banda alinhadas à divisão da água ou à redução de CO2, estas heteroestruturas 2D sobre 2D aumentam a eficiência sem depender de elementos escassos.

Fluxo de cargas em esquema Z e esquema S

A fotossíntese natural utiliza dois passos de luz, frequentemente representados na forma de um Z, para entregar cargas de alta energia. Os dispositivos artificiais espelham essa lógica com designs em esquema Z e esquema S. Dois absorvedores de luz são ligados de modo a que apenas os eletrões redutores mais fortes e os buracos oxidantes mais fortes sobrevivem, enquanto os portadores mais fracos se anulam mutuamente. Manter as cargas mais ativas melhora reações difíceis e ajuda a suprimir processos secundários.

Carbonetos de metais e materiais MXene

Os carbonetos de metais de transição, incluindo os MXenes, combinam elevada condutibilidade com superfícies ajustáveis. Podem servir como absorvedores de luz ou como cocatalisadores, os auxiliares superficiais que aceleram etapas-chave e orientam a seletividade. Os MXenes são produzidos através da corrosão de precursores em camadas para criar folhas condutivas. Os seus grupos superficiais, definidos pela rota de síntese, influenciam a capacidade com que adsorvem moléculas e transportam cargas, o que é central para uma produção de combustíveis solares estável e eficiente.

De resíduo a riqueza com luz e química inteligente

Os plásticos trazem conveniência e um problema de resíduos. A revalorização foto e eletrocatalítica ataca o problema com química direcionada. Sob luz ou energia renovável, os catalisadores podem quebrar cadeias poliméricas longas e transformá-las em moléculas úteis como formato, acetato, álcoois ou hidrogénio. A CONNECT combina esta abordagem também com resíduos agrícolas. O setor da palmeira na Malásia produz resíduos ricos em carbono que podem ser valorizados em grafeno e hidrogénio verde. O grupo relata uma patente relacionada com a produção de grafeno e hidrogénio a partir de biometano, mostrando como os fluxos de resíduos podem tornar-se matéria-prima para materiais e energia.

Do laboratório ao terreno: hidrogénio a partir da água

O hidrogénio produzido com luz solar parece simples, mas integrá-lo ao ar livre é difícil. Um dispositivo tem de captar luz eficazmente, dividir a água, manter o hidrogénio e o oxigénio separados e resistir a meses de calor, chuva e poeira. A CONNECT está a construir um protótipo maior para testar condições exteriores, com o objetivo de meados de 2026 para uma unidade sol-hidrogénio funcional que combine fotocatalise e fotoeletroquímica.

Dois problemas tendem a dominar a passagem à escala. A eficiência, medida como eficiência de conversão de solar em hidrogénio, tem de aumentar enquanto os materiais permanecem acessíveis. Muitos especialistas consideram 10 por cento um limite prático, embora os custos variem conforme o local. A durabilidade é o outro teste. Os catalisadores podem degradar-se sob oxigénio e luz intensa. A água do mar acrescenta cloreto, que pode desencadear corrosão e formação de cloro. As equipas abordam esta questão com camadas protetoras, membranas seletivas e condições de reação que favorecem apenas o hidrogénio e o oxigénio.

Porque é isto importante para a Malásia e a região

A Malásia procura emissões líquidas zero até 2050, o que exige novos combustíveis limpos e uma utilização mais inteligente do carbono. A fotossíntese artificial está ligada a várias prioridades nacionais. O hidrogénio pode apoiar as renováveis e reduzir emissões na indústria. Converter o CO2 proveniente da queima de gás ou de fluxos de processo em matéria-prima transforma um resíduo em valor. Valorizar os resíduos plásticos e de biomassa reduz a pressão sobre os aterros e as importações de combustíveis fósseis. Unidades modulares de conversão solar em combustível poderiam apoiar escolas, clínicas e pequenos negócios em zonas remotas onde a expansão da rede elétrica é lenta.

Colaboração, talento e ferramentas digitais aceleram o progresso

A CONNECT avança ao associar-se à PETRONAS Research e a programas nacionais de tecnologia, e ao combinar competências em química, materiais, engenharia e ciência de dados. A teoria do funcional da densidade e a aprendizagem automática ajudam a triar milhares de catalisadores candidatos antes de alguns serem produzidos no laboratório, poupando tempo e custo. O Prof. Ong orienta um grupo crescente de investigadores de pós-graduação e pós-doutoramento. Reconhecimentos como Highly Cited Researcher e a lista World's Top 2 percent Scientist realçam o impacto, enquanto o objetivo se mantém prático: dispositivos que produzem combustíveis limpos de forma fiável nas condições da Malásia.

Os desafios que restam

A fotossíntese artificial deverá complementar, e não substituir, o hidrogénio verde crescente proveniente de eletrólises. O caminho para a escala ainda inclui aumentar a eficiência, melhorar a durabilidade, reduzir os custos auxiliares do sistema (balance of plant) e conceber uma manipulação segura de gases. Os produtos da conversão de CO2 surgem frequentemente como misturas que necessitam de separação. A revalorização de plásticos exige uma qualidade de matéria-prima previsível e catalisadores seletivos. O protótipo de 2026 e o projeto PETRONAS fornecerão os dados de campo que decidirão onde esta tecnologia melhor se insere na transição energética do país.

Pontos-chave

• O Prof. Dr. Ong Wee Jun lidera a CONNECT na Universidade Xiamen da Malásia, com foco na fotossíntese artificial e na nanocatalise.
• A sua equipa trabalha em hidrogénio a partir da água, conversão de CO2 em metanol e outros produtos, e revalorização de plásticos por catálise foto ou eletrocatalítica.
• Uma subvenção da PETRONAS de mais de RM1 milhão (agosto de 2024) apoia a conversão movida a energia solar de CO2 da queima de gás em terminais de gás onshore.
• Um protótipo de sistema sol-hidrogénio tem como meta meados de 2026, para testar o desempenho ao ar livre na Malásia.
• As ferramentas de investigação incluem heteroestruturas bidimensionais, fluxo de cargas em esquema Z e carbonetos de metais como os MXenes.
• Os projetos de hidrogénio a partir de água do mar abordam a corrosão por cloreto e a seletividade, para evitar o cloro.
• As parcerias com a indústria e a utilização da teoria do funcional da densidade e da aprendizagem automática aceleram a descoberta de catalisadores.
• O trabalho está alinhado com a meta de neutralidade carbónica da Malásia para 2050 e pode apoiar o acesso a energia nas zonas rurais.