Grafeno duplica produção de electricidade em Biocélulas a Combustível

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Grafeno
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O grafeno pode duplicar a produção de energia eléctrica em biocélulas a combustível, como demonstrou um grupo de investigadores do Instituto de Química de São Carlos (IQSC) da Universidade de São Paulo (USP) e da Universidade Federal do ABC (UFABC), em Santo André, na região metropolitana de São Paulo, no Brasil. Descoberto em 2004 por Andre Geim e Konstantin Novoselov, da Universidade de Manchester, em Inglaterra, o grafeno, além de render o prémio Nobel da Física aos dois investigadores pelas experiências realizadas, provocou uma corrida mundial em busca da utilização desse novo material caracterizado por ser uma folha de carbono com espessura atómica e detentor de propriedades eléctricas, mecânicas e ópticas.

Os investigadores brasileiros, sob a liderança do professor Frank Crespilho, do IQSC-USP, mostraram no artigo de capa da edição de Setembro da revista Physical Chemistry Chemical Physics em que folhas de óxido de grafeno presas em fibras flexíveis de carbono facilitam a transferência de electrões em biocélulas a combustível, dispositivos que convertem energia química em energia eléctrica com a ajuda de enzimas e podem ter como combustível, por exemplo, a glicose existente no sangue para suprir de electricidade marca-passos ou dispensadores subcutâneos de medicamentos. As biocélulas são uma fonte de energia alternativa ainda restrita a laboratórios. As biocélulas desenvolvidas no São Carlos são semelhantes a baterias e possuem dois eletrodos de fibra de carbono flexível, o cátodo, o polo positivo, e o ânodo, negativo. Elas são uma das mais recentes novidades em estudos no campo das fontes energéticas. Uma das opções de combustível para esse dispositivo é o uso da garapa, o caldo de cana repleto de açúcares.

As biocélulas podem ter tamanho microscópico ou serem maiores, do tamanho de pequenas caixas plásticas que podem receber a garapa para gerar eletricidade e recarregar baterias de celulares, tablets ou até notebooks. Uma célula pode fornecer uma tensão eléctrica um pouco maior que 1 volt (uma pilha do tipo AA, por exemplo, tem 1,5 volts). O grupo de Crespilho já trabalha com esses equipamentos desde 2010. Pensando em melhorar o desempenho eléctrico desses dispositivos, os investigadores colocaram folhas de óxido de grafeno entre o eléctrodo e a enzima glicose oxidase. Com isso, a transferência de electrões para a célula aumentou em pelo menos duas vezes, o que representa o dobro de produção de electricidade.

O processo de libertação de electrões ocorre pela oxidação da glicose, que acontece na superfície do ânodo, onde é colocada a enzima glicose oxidase produzida a partir do fungo Aspergillus Niger. Com isso, os electrões são transferidos para a superfície do eléctrodo da biocélula que os utiliza como electricidade. Esse fluxo de electrões passa para o outro eléctrodo, o cátodo, onde o oxigénio é reduzido. O processo conhecido como oxirredução refere-se à oxidação (perda de electrões) da glicose e redução (ganho de electrões) do oxigénio, ambos dissolvidos no sangue.

A presença do grafeno transforma-se numa espécie de ponte ao diminuir a distância entre o centro da enzima e a superfície dos eléctrodos de carbono, facilitando a passagem dos electrões. “Já mostramos que ele funciona melhor que os nanotubos de carbono porque aproveita melhor as propriedades da enzima. Estudos recentes mostraram ainda que os nanotubos podem degradar a glicose oxidase, o que não acontece quando usamos grafeno”, afirmou. Crespilho, que actualmente passa um período como professor visitante no Instituto de Tecnologia da Califórnia (CALTECH). “Estou num projeto que visa compreender como o DNA e outras biomoléculas, como proteínas, interagem com a superfície de outros materiais no aspecto de transferência de carga eléctrica. A ideia é fortalecer essa área no São Carlos e aplicar no futuro esses conhecimentos em bioeletrónica molecular”, disse ele.

Infraestrutura da Alemanha

Além do óxido de grafeno em fibras flexíveis, Crespilho aguarda a construção de uma biocélula a combustível com folhas individuais de grafeno que um aluno seu do IQSC está a montar no Instituto Max Planck, na Alemanha. “Deverá ser a biocélula mais fina já construída. Ainda não temos no Brasil toda a infraestrutura para fazer esse dispositivo, que deverá ter dois eléctrodos com a espessura de menos de um nanómetro (equivalente a um milímetro dividido por um milhão)”, diz Crespilho. Por isso, o doutorando Rodrigo Iost, com bolsa da FAPESP, vai tentar montar até ao fim do ano essa nova biocélula. “Tivemos no ano passado um projecto temático (financiado pela FAPESP durante quatro anos) aprovado sob a coordenação do professor Osvaldo Novais, do Instituto de Física do São Carlos (IFSC) da USP. Esse projecto vai melhorar a nossa infraestrutura e vai permitir a produção de novos filmes nanoestruturados para aplicação biológica. Aí conseguiremos construir os biodispositivos e vamos aplicá-los não só em biocélulas, como também em aparelhos bioeletrónicos implantáveis”, diz Crespilho. O projecto em bioeletrónica molecular desenvolvido pelo grupo é também vinculado ao Instituto Nacional de Eletrónica Orgânica (INEO-INCT), com sede no IFSC no São Carlos.

Fonte: http://www.ifsc.usp.br/~ineo/news/index.php?pos_id=1163

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