Desenvolver novos nanomateriais com propriedades promissoras para atender diversas aplicações tecnológicas, com pesquisas que envolvem a geração de hidrogênio solar, células solares e fotodegradação de poluentes, é a grande façanha do Grupo de Pesquisa do Laboratório de Nanomateriais e Nanotecnologia Aplicada (LNNA), do Instituto de Física da UFMS.
Formado por professores, graduandos, pós-graduandos e com parceria de outras instituições nacionais e internacionais, o Grupo contabiliza publicações científicas que demonstram resultados diferenciados na pesquisa de nanomateriais.
O objetivo principal é “a síntese e o entendimento mais aprofundado das propriedades físicas e químicas de nanoestruturas semicondutoras, como nanofios, nanotubos, nanopartículas, assim como os processos fundamentais envolvidos nas aplicações tecnológicas onde os materiais são empregados”.
Os nanomateriais apresentam estruturas diferenciadas por possuírem características em escala de nanômetros, ou seja, um bilionésimo do metro. Uma das principais propriedades dos nanomateriais é terem uma grande área superficial, o que aumenta a área de contato com qualquer agente externo.
Essa especificação ímpar expandiu a nanotecnologia para as mais diversas áreas como Física, Química, Medicina, Computação, Eletrônica, Alimentos, Engenharias, entre muitas outras.
Linhas de pesquisa
No LNNA, as linhas de pesquisa abrangem o desenvolvimento de novos materiais nanoestruturados; materiais semicondutores nanoestruturados e energia solar; crescimento de materiais nanoestruturados bidimensionais e células solares.
“Nós sintetizamos, preparamos e criamos nanomateriais com propriedades muito específicas para diversas aplicações”, explica o professor do Instituto de Física Heberton Wender, um dos coordenadores do grupo de pesquisa.
Entre as pesquisas, está o subprojeto “Desenvolvimento de Fotocatalisadores Nanoestruturados para Degradação Fotoquímica de Poluentes”, que desenvolve materiais para a remediação ambiental, ou seja, para a remoção de poluentes orgânicos, como pesticidas, fármacos, corantes da indústria de tingimento de roupas e calçados.
“Frequentemente são gerados grandes quantidades de resíduos que acabam por contaminar rios e efluentes. Uma estação de tratamento de água possui vários processos convencionais, mas não consegue deteriorar corantes orgânicos ou pesticidas que vêm das lavouras com as chuvas, ou mesmo um fármaco que é eliminado pela urina”, explica o professor.
Então, são desenvolvidos nanomateriais que são capazes de absorver a luz do sol e gerar radicais altamente reativos para destruir as moléculas desses compostos: corantes, pesticidas e fármacos.
“Esse é um processo conhecido como fotocatálise. Desenvolvemos materiais que absorvem a luz visível, que é a grande porção da luz solar. Com isso, há a separação e migração de elétrons e buracos na superfície do material, que em contato com a água, geram radicais Hidroxila (OH·) e Super Óxido (O2–·)”, completa Heberton.
Todo esse processo ocorre somente com a presença da luz do sol. “O processo só funciona quando eu coloco um semicondutor (nanomaterial) na presença da luz solar gerando os radicais que são altamente reativos e destroem a molécula do poluente orgânico”, diz o professor.
Da mesma forma, o subprojeto “Desenvolvimento de Nanomateriais para Produção Fotocatalítica de Hidrogênio” propõe a quebra da molécula da água para a geração do hidrogênio, que é um combustível de altíssimo poder energético, com poder de combustão superior ao diesel, gasolina e etanol.
“Além disso, a combustão do hidrogênio é limpa, só gera vapor de água como subproduto. O governo dos EUA investiu mais de 100 milhões de dólares só em 2016 para a geração de hidrogênio pela quebra da molécula da água (water splitting)”, afirma Heberton.
No Brasil, já há algumas aplicações tecnológicas em andamento, como o protótipo de ônibus movido a hidrogênio, desenvolvido e testado pela Universidade Federal do Rio de Janeiro.
“O que o nosso grupo propõe é fazer um processo fotocatalítico para quebrar a água e produzir o hidrogênio, porque esse é um combustível ainda muito caro. É um processo semelhante ao anterior: inserimos o nanomaterial na presença da água e da luz do sol, o que vai gerar os elétrons e os buracos, com potencial suficiente para oxidar e reduzir a água, gerando o hidrogênio”, explica o professor.
Essa tecnologia ainda está em desenvolvimento em diversos centros de pesquisa no mundo, não sendo ainda um assunto totalmente dominado. “Existem desafios, metas e limites a serem rompidos, como baixar o custo e aumentar a quantidade de produção, ainda muito pequena”.
O grupo trabalha ainda com a terceira geração de células solares. São células híbridas porque são orgânicas e inorgânicas, com baixa eficiência, mas com menor custo, o que gera ganho na acessibilidade.
Um dos próximos passos do grupo é trabalhar em uma escala maior. “Para se ter uma ideia, hoje
fazemos experimento em Beckers contendo 25 ml de água, precisamos ampliar essa escala. Também temos de começar a desenvolver outro tipo de pesquisa que é a coleta desses nanomateriais, que podem ser tóxicos para o ecossistema”, explica o professor, completando que separar o catalisador é uma grande dificuldade encontrada pelos pesquisadores de todo o mundo.
Em colaboração com o Instituto de Física de São Carlos, PUC-RS, UFRGS, Centro de Tecnologia e Estratégia do Nordeste e Escola de Química da Universidade de Nottingham (Reino Unido), o grupo acaba de ter um artigo aceito para publicação no The Journal of Physical Chemistry C cujo título é: “Photochemical Hydrogen Production of Ta2O5 Nanotubes Decorated With NiO Nanoparticles by ModifiedSputtering Deposition”.
Além deste, o trabalho desenvolvido dentro do Programa de Pós-Graduação em Química da UFMS, de título: “One-step solvothermal synthesis and visible light driven photocatalytic activity of ultra-fine carbon-doped Ta2O5 nanoparticles“ está em processo de submissão no momento.
