Da luz solar ao combustível: professor Ong Wee Jun lidera iniciativa da Malásia em fotossíntese artificial

Uma pergunta da infância se transforma em missão energética nacional

Quando era aluno do 4º ano e estudava fotossíntese, Ong Wee Jun fez uma pergunta simples: seria possível aproveitar a luz do sol, como as plantas fazem, para abastecer a vida moderna? Essa curiosidade se tornou o trabalho de sua vida. Hoje, o cientista malaio busca aplicar o mesmo princípio com ferramentas da nanociência e da catálise, armazenando a luz solar nas ligações de combustíveis limpos.

O professor doutor Ong é vice-reitor assistente da Universidade de Xiamen na Malásia e diretor fundador do Centro de Excelência em Tecnologia de Nanoenergia e Catálise, conhecido como CONNECT. Ele e sua equipe desenvolvem folhas artificiais que reproduzem as etapas essenciais da fotossíntese. Em vez de clorofila, seus dispositivos usam nanomateriais projetados para produzir moléculas ricas em energia.

O CONNECT pesquisa a produção de hidrogênio a partir da água, a conversão de CO2 em metanol e outros produtos químicos e a transformação de resíduos plásticos em combustíveis. A visão de longo prazo inclui parques modulares de hidrogênio movidos a energia solar, capazes de abastecer comunidades rurais e levar ciência de ponta às necessidades cotidianas.

O que a fotossíntese artificial realmente faz

A fotossíntese artificial usa materiais que absorvem luz e catalisadores para converter a luz solar em energia química. O dispositivo absorve fótons, gera cargas móveis e as utiliza para dividir a água ou reduzir o dióxido de carbono. O resultado é um combustível que pode ser armazenado, transportado e usado quando o sol não está brilhando.

Na divisão da água, uma reação libera oxigênio e a outra forma hidrogênio. Os semicondutores fornecem energia, enquanto os catalisadores reduzem a barreira de cada reação. O hidrogênio se torna um vetor energético para células a combustível e uma matéria-prima limpa para a produção de amônia e aço e para o refino.

A conversão de CO2 em combustíveis segue o mesmo princípio. Catalisadores desenvolvidos sob medida direcionam elétrons para transformar CO2 em monóxido de carbono, ácido fórmico ou metanol. Os dispositivos podem ser fotocatalisadores em pó, células fotoeletroquímicas com eletrodos que absorvem luz ou sistemas eletrocatalíticos alimentados por eletricidade renovável. O objetivo é o mesmo: operação estável, alta eficiência e custo razoável.

Das descobertas em laboratório a projetos reais na Malásia

O CONNECT conecta a pesquisa à aplicação por meio de parcerias com a indústria e o governo. Em agosto de 2024, a Universidade de Xiamen na Malásia anunciou que o professor Ong recebeu uma bolsa do Diálogo de Colaboração Acadêmica da PETRONAS, no valor de mais de RM 1 milhão. O projeto pretende usar fotossíntese artificial movida a energia solar para converter o CO2 da queima em flare em terminais de gás terrestres em produtos químicos valiosos, enfrentando diretamente uma fonte de emissões industriais.

O programa da PETRONAS selecionou 61 projetos entre 588 candidaturas de 25 universidades. Para o CONNECT, a bolsa fortalece um portfólio que inclui um protótipo de sistema de conversão de luz solar em hidrogênio, com conclusão prevista para meados de 2026, catalisadores projetados para conter gases de efeito estufa e métodos para transformar resíduos de óleo de palma em grafeno e hidrogênio verde. O princípio que une essas iniciativas é simples: levar nanocatalisadores promissores dos testes controlados em laboratório para dispositivos robustos que funcionem ao ar livre.

Como funciona a ciência por trás desses catalisadores

A fotossíntese artificial se apoia em três pilares: materiais que absorvem luz, estruturas que mantêm as cargas separadas e sítios catalíticos que tornam as reações rápidas e seletivas. A pesquisa do CONNECT desenvolve esses pilares combinando materiais bidimensionais, junções especiais e sítios superficiais compostos por elementos abundantes na Terra.

Materiais bidimensionais e heteroestruturas

Materiais bidimensionais, de folhas de carbono semelhantes ao grafeno a dicalcogenetos de metais de transição, oferecem caminhos ultrafinos para as cargas. Empilhar uma folha 2D sobre outra cria uma ampla interface, onde elétrons e lacunas se separam com eficiência. Ao escolher pares cujas energias de banda sejam adequadas à divisão da água ou à redução de CO2, essas heteroestruturas 2D sobre 2D aumentam a eficiência sem depender de elementos escassos.

Fluxo de cargas em esquema Z e esquema S

A fotossíntese natural usa duas etapas de absorção de luz, muitas vezes representadas como um Z, para gerar cargas de alta energia. Dispositivos artificiais reproduzem essa lógica com projetos em esquema Z e esquema S. Dois absorvedores de luz são conectados de modo que sobrevivam apenas os elétrons com maior poder redutor e as lacunas com maior poder oxidante, enquanto as cargas menos potentes se anulam. Manter as cargas mais ativas melhora reações difíceis e ajuda a conter processos secundários.

Carbonetos metálicos e materiais MXene

Carbonetos de metais de transição, incluindo os MXenes, combinam alta condutividade com superfícies ajustáveis. Eles podem atuar como absorvedores de luz ou cocatalisadores, auxiliares de superfície que aceleram etapas essenciais e orientam a seletividade. Os MXenes são produzidos pela corrosão química de precursores em camadas, que dá origem a folhas condutoras. Os grupos presentes em sua superfície, determinados pelo método de síntese, influenciam a capacidade de adsorver moléculas e transportar cargas, algo fundamental para a produção estável e eficiente de combustíveis solares.

Transformar resíduos em riqueza com luz e química inteligente

Os plásticos trazem praticidade, mas também o desafio dos resíduos. A valorização foto e eletrocatalítica enfrenta o problema com reações químicas direcionadas. Sob luz ou energia renovável, os catalisadores podem quebrar longas cadeias poliméricas e transformá-las em moléculas úteis, como formiato, acetato, álcoois ou hidrogênio. O CONNECT também aplica essa abordagem a resíduos agrícolas. O setor de óleo de palma da Malásia gera resíduos ricos em carbono que podem ser convertidos em grafeno e hidrogênio verde. O grupo informa ter uma patente relacionada à produção de grafeno e hidrogênio a partir de biometano, mostrando como fluxos de resíduos podem se tornar matéria-prima para materiais e energia.

Do laboratório ao campo: hidrogênio a partir da água

Produzir hidrogênio com a luz do sol parece simples, mas integrar o processo a condições externas é difícil. Um dispositivo precisa captar a luz com eficiência, dividir a água, manter hidrogênio e oxigênio separados e resistir por meses ao calor, à chuva e à poeira. O CONNECT está construindo um protótipo maior para testar as condições externas, com a meta de ter, até meados de 2026, uma unidade funcional de conversão de luz solar em hidrogênio que combine fotocatálise e fotoeletroquímica.

Dois aspectos costumam dominar a ampliação da escala. A eficiência, medida pela conversão de energia solar em hidrogênio, precisa aumentar sem encarecer os materiais. Muitos especialistas consideram 10% um patamar prático, embora os custos variem conforme o local. O outro desafio é a durabilidade. Os catalisadores podem se degradar na presença de oxigênio e luz intensa. A água do mar contém cloreto, que pode provocar corrosão e formação de cloro. As equipes enfrentam esses problemas com camadas protetoras, membranas seletivas e condições de reação que favoreçam apenas a formação de hidrogênio e oxigênio.

Por que isso importa para a Malásia e a região

A Malásia pretende alcançar emissões líquidas zero até 2050, o que exige novos combustíveis limpos e um uso mais inteligente do carbono. A fotossíntese artificial está ligada a várias prioridades nacionais. O hidrogênio pode complementar as fontes renováveis e reduzir as emissões da indústria. Converter o CO2 da queima em flare ou de fluxos de processos industriais em matérias-primas transforma resíduos em valor. Aproveitar resíduos plásticos e de biomassa reduz a pressão sobre os aterros sanitários e a dependência de insumos fósseis importados. Unidades modulares de conversão de energia solar em combustíveis poderiam abastecer escolas, clínicas e pequenos negócios em áreas remotas, onde a expansão da rede elétrica é lenta.

Colaboração, talentos e ferramentas digitais aceleram o progresso

O CONNECT avança por meio de parcerias com a PETRONAS Research e programas nacionais de tecnologia, além de integrar conhecimentos de química, materiais, engenharia e ciência de dados. A teoria do funcional da densidade e o aprendizado de máquina ajudam a avaliar milhares de catalisadores candidatos antes que alguns sejam produzidos em laboratório, economizando tempo e dinheiro. O professor Ong orienta um grupo crescente de pesquisadores de pós-graduação e pós-doutorado. Reconhecimentos como o de Pesquisador Altamente Citado e a inclusão na lista dos 2% melhores cientistas do mundo destacam o impacto do trabalho, mas o objetivo continua sendo prático: criar dispositivos que produzam combustíveis limpos de forma confiável nas condições da Malásia.

Os desafios que permanecem

É provável que a fotossíntese artificial complemente, em vez de substituir, a produção crescente de hidrogênio verde por eletrolisadores. Para ampliar a escala, ainda é preciso aumentar a eficiência, melhorar a durabilidade, reduzir os custos dos sistemas auxiliares e desenvolver métodos seguros de manejo de gases. Os produtos da conversão de CO2 costumam surgir em misturas que precisam ser separadas. A valorização de plásticos exige matéria-prima de qualidade previsível e catalisadores seletivos. O protótipo previsto para 2026 e o projeto da PETRONAS fornecerão dados de campo para determinar onde essa tecnologia se encaixa melhor na transição energética do país.

Principais pontos

• O professor doutor Ong Wee Jun lidera o CONNECT na Universidade de Xiamen na Malásia, com foco em fotossíntese artificial e nanocatálise.
• Sua equipe pesquisa a produção de hidrogênio a partir da água, a conversão de CO2 em metanol e outros produtos e a valorização foto ou eletrocatalítica de plásticos.
• Uma bolsa da PETRONAS de mais de RM 1 milhão, concedida em agosto de 2024, apoia a conversão solar do CO2 emitido pela queima em flare em terminais de gás terrestres.
• Um protótipo de sistema de conversão de luz solar em hidrogênio deve ficar pronto em meados de 2026 para testar o desempenho ao ar livre na Malásia.
• As ferramentas de pesquisa incluem heteroestruturas bidimensionais, fluxo de cargas em esquema Z e carbonetos metálicos, como os MXenes.
• Projetos de produção de hidrogênio a partir da água do mar enfrentam a corrosão por cloreto e buscam seletividade para evitar a formação de cloro.
• Parcerias com a indústria e o uso da teoria do funcional da densidade e do aprendizado de máquina aceleram a descoberta de catalisadores.
• O trabalho está alinhado à meta da Malásia de alcançar emissões líquidas zero até 2050 e pode ajudar a ampliar o acesso à energia em áreas rurais.