Energia limpa nascida da natureza
O projeto propõe o desenvolvimento de um sistema híbrido de biossupercapacitores integrado à produção e ao uso de hidrogênio verde, visando superar a dificuldade de obtenção comercial das enzimas [NiFe]-hidrogenases, consideradas ideais para a oxidação do hidrogênio. Como alternativa, serão utilizados catalisadores bioinspirados à base de níquel e ferro combinados com enzimas disponíveis comercialmente, como lacase (no cátodo) e glicose oxidase (no ânodo modelo), para promover a conversão e o armazenamento de energia de forma sustentável.
Os biocatalisadores serão imobilizados em materiais nanoestruturados, como nanotubos de carbono, quitosana e carvão ativado derivado de biomassa, buscando aumentar a área superficial, melhorar a transferência eletrônica e elevar a capacitância dos eletrodos. Além dos experimentos laboratoriais, serão realizadas simulações computacionais por dinâmica molecular e docking molecular para compreender as interações entre enzimas, catalisadores e suportes, orientando a otimização do sistema.
A infraestrutura da UNILAB, que inclui produção de hidrogênio verde por eletrólise alimentada por energia solar, será utilizada para validar o conceito e demonstrar a integração entre conversão e armazenamento de energia. Espera-se que o dispositivo seja capaz de se auto-recarregar por meio de reações bioeletroquímicas, fornecendo pulsos de potência para aplicações de pequeno porte.
O projeto se destaca por combinar células a combustível enzimáticas, supercapacitores e catalisadores biomiméticos em uma abordagem inovadora e economicamente viável para o aproveitamento do hidrogênio verde. Além de contribuir para o avanço científico na área de energia limpa, a proposta fortalece a pesquisa regional no Ceará, promove a formação de recursos humanos e incentiva a participação feminina em áreas STEM.
Metodologia
- Preparação de suportes condutores utilizando nanotubos de carbono, quitosana e carvão ativado de biomassa para imobilização dos catalisadores.
- Funcionalização e caracterização dos materiais para aumentar a área superficial, a condutividade elétrica e a estabilidade dos eletrodos.
- Aquisição e validação da atividade das enzimas lacase e glicose oxidase (GOx).
- Imobilização das enzimas por adsorção física, encapsulamento em quitosana e ligação covalente.
- Síntese e imobilização de catalisadores bioinspirados de Ni/Fe para a oxidação do hidrogênio.
- Construção de uma célula a combustível enzimática H₂/O₂ utilizando bioânodo e biocátodo.
- Desenvolvimento de um biossupercapacitor auto-carregável, capaz de converter e armazenar energia simultaneamente.
- Integração entre célula a combustível e supercapacitor para formação de um sistema híbrido de armazenamento energético.
- Realização de simulações de dinâmica molecular e docking molecular para estudar as interações entre enzimas, catalisadores e suportes.
- Avaliação da orientação molecular e dos mecanismos de transferência eletrônica nas interfaces dos eletrodos.
- Caracterização eletroquímica por curvas de polarização, testes de carga/descarga e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS).
- Determinação da capacitância específica, densidade de potência e eficiência de auto-carregamento dos dispositivos.
- Testes de estabilidade e durabilidade para monitorar a atividade catalítica e a integridade dos eletrodos.
- Utilização de hidrogênio verde produzido por eletrólise solar na UNILAB para validação experimental do sistema.
- Demonstração da integração entre produção de H₂, conversão bioeletroquímica e armazenamento de energia.
- Realização dos experimentos em triplicata e análise estatística dos resultados.
- Correlação entre dados experimentais e simulações computacionais para otimização dos materiais e dispositivos.
Impacto esperado
- Desenvolvimento de um protótipo funcional de biossupercapacitor integrado ao hidrogênio verde.
- Demonstração da oxidação de H₂ sem o uso de hidrogenases, utilizando catalisadores bioinspirados à base de Ni/Fe.
- Obtenção de um biocátodo de lacase eficiente e estável para a redução de O₂ a H₂O.
- Geração de correntes elétricas mensuráveis e manutenção da atividade catalítica por longos períodos de operação.
- Integração bem-sucedida entre conversão bioeletroquímica e armazenamento capacitivo de energia.
- Desenvolvimento de um dispositivo com capacidade de auto-carregamento e fornecimento de energia sob demanda.
- Alcance de capacitâncias específicas elevadas e suporte a picos transitórios de corrente.
- Obtenção de densidades de potência adequadas para aplicações de pequena escala alimentadas por hidrogênio verde.
- Determinação da eficiência de conversão energética e da eficiência de armazenamento do sistema.
- Identificação, por simulações computacionais, das melhores interações entre enzimas, catalisadores e suportes condutores.
- Elucidação dos mecanismos de transferência eletrônica e transporte de reagentes nos eletrodos.
- Otimização dos processos de imobilização e do desempenho dos biossupercapacitores com base nos resultados experimentais e computacionais.
- Produção de conhecimento científico relevante por meio de artigos científicos e/ou pedidos de patente.
- Validação da viabilidade de sistemas híbridos que combinam enzimas comerciais e catalisadores bioinspirados para o aproveitamento sustentável do hidrogênio verde.
- Contribuição para o avanço de tecnologias de armazenamento e conversão de energia limpa e sustentável.