A necessidade de reduzir o consumo de energia em estações de tratamento de efluentes (ETE), aliada a rigorosos padrões de qualidade para o efluente, especialmente em relação às concentrações de nitrogênio, possui importância global. Essa urgência é intensificada em países em desenvolvimento devido à demanda urgente pela expansão de serviços nos setores de saneamento e energia. Simultaneamente, em países desenvolvidos, há um foco na modernização da infraestrutura de saneamento, destacando ainda mais a relevância global dessa questão. Uma via promissora para enfrentar esse desafio está na recente descoberta e avanço de processos bioeletroquímicos capazes de gerar eletricidade diretamente a partir da oxidação do nitrogênio amoniacal, potencialmente transformando a dinâmica energética das ETEs. No entanto, a falta de conhecimento sobre aspectos fundamentais desse processo, como os microorganismos responsáveis, as sequências de reações, as vias metabólicas e os mecanismos de transferência de elétrons, dificulta uma compreensão abrangente de sua aplicabilidade prática no tratamento de efluentes. Como resultado, a otimização e a implementação em larga escala do processo tornam-se desafiadoras. Esta proposta de pesquisa busca abordar essas lacunas de conhecimento elucidando as reações e mecanismos envolvidos no processo de conversão bioeletroquímica de amônia por meio de análises metagenômicas e metatranscriptômicas. Ao longo de um período de 12 meses, o projeto compreende três fases experimentais centradas em estudos de células de combustível microbianas (CCM), a serem realizados no laboratório de Microbiologia Ambiental e Biotecnologia do Prof. Kartik Chandran na Universidade de Columbia, na cidade de Nova York, EUA. A fase inicial envolve o cultivo de bactérias eletroativas convencionais (EAB) operando CCMs com águas residuais sintéticas simulando o sobrenadante de digestores de lodo anaeróbios. Posteriormente, a segunda fase consiste em alimentar as CCMs com uma versão inorgânica de águas residuais sintéticas para avaliar a adaptação do sistema, considerando a composição e função da comunidade microbiana, para a oxidação de amônia. Na terceira fase, o estudo visa avaliar a influência do oxigênio dissolvido na oxidação bioeletroquímica de amônia, ao mesmo tempo que investiga o impacto do sulfato, comumente presente no sobrenadante de digestores de lodo anaeróbios. Uma unidade de controle, mantida em condições de circuito aberto durante toda a operação, auxiliará na compreensão das interações bactéria-eletrodo e na influência da composição e função do biofilme. A pesquisa emprega extensa caracterização do efluente, técnicas eletroquímicas (voltametria cíclica e espectroscopia de impedância) e sequenciamento completo do genoma (DNA), juntamente com sequenciamento do metatranscriptoma (RNA). Essas abordagens visam desvendar cadeias de reações, vias metabólicas e mecanismos de troca de elétrons responsáveis por converter amônia em eletricidade. Os resultados deste estudo são esperados para fornecer insights valiosos sobre fenômenos complexos, promovendo o desenvolvimento e a integração prospectiva desse inovador processo bioeletroquímico em sistemas de tratamento de águas residuárias, com benefícios potenciais para o setor de energia.

A crescente preocupação com os impactos ambientais aumenta o interesse por fontes de energia renováveis que sejam tecnicamente viáveis, economicamente competitivas e com menor impacto ambiental. Assim, há um aumento na demanda por novas tecnologias, como o etanol de segunda geração (2G). O etanol 2G é produzido a partir de resíduos agro-industriais, florestais e até municipais para obtenção de biomassa lignocelulósica. Esta é submetida a um pré-tratamento para libertar açúcares fermentáveis para a produção de etanol, com potencial para aumentar a produção de etanol até 45%. No entanto, a fermentação desses hidrolisados lignocelulósicos ainda enfrenta muitos desafios científicos e tecnológicos. Os processos de pré-tratamento geram uma variedade de compostos que atuam como inibidores do metabolismo dos microrganismos produtores de etanol, reduzindo assim a eficiência da fermentação. Além dos inibidores, outro problema enfrentado tanto na produção de etanol de primeira geração (1G) quanto na produção de etanol 2G é a presença constante de microrganismos contaminantes, principalmente bactérias lácticas (BAL). O objetivo da proposta é avaliar os mecanismos de resistência (maior tolerância) aos inibidores em leveduras e bactérias no contexto da produção de etanol a partir de fontes lignocelulósicas. Este objectivo será prosseguido através de estudos quantitativos da robustez das BAL e das leveduras, e através da monitorização em tempo real do estado intracelular das leveduras na presença destes inibidores lignocelulósicos. (AU)

As células solares de perovskita (PSCs) são uma das tecnologias fotovoltaicas emergentes mais promissoras, pois podem ser produzidas a baixo custo e com eficiências superiores a 26%. No entanto, para as tornarem comercialmente viáveis, fatores como melhor resistência contra agentes ambientais externos (umidade e oxigênio); e questões relacionadas à processabilidade em larga escala devem ser abordados. Além disso, a presença de defeitos iônicos intrínsecos e gerados por tensão dentro da perovskita e camadas adjacentes afeta fortemente as propriedades interfaciais, levando à recombinação de portadores de carga e perda de desempenho. A classe promissora de materiais 2D que consiste em materiais de carbeto e nitretos de metais de transição (MXenes) tem sido estudada devido às suas propriedades únicas, como alta condutividade elétrica, alta transmitância, níveis de energia ajustáveis e versátil processabilidade. Neste contexto, este projeto propõe estudar a aplicação dos materiais 2D da classe dos MXenes para otimizar as propriedades das camadas de transporte e a camada ativa de perovskita de PSCs. Atenção especial será dada à obtenção de camadas depositadas por técnicas escaláveis, como slot-die coating e inkjet printing. Assim, será avaliada a influência das propriedades químicas e físicas dos MXenes nas características das camadas das PSCs em termos de eficiência, estabilidade e processabilidade.

A redução eletrocatalítica do dióxido de carbono (CO2) em moléculas orgânicas (C2+) oferece uma alternativa promissora para lidar com as mudanças climáticas e facilitar a produção de energia sustentável e produtos químicos. Apesar das pesquisas relacionadas a redução eletroquímica remontarem do final de 1960, ainda há desafios tecnológicos e fundamentais a serem enfrentados nesse campo. Esses desafios incluem o aprimoramento da atividade eletrocatalítica, a redução do sobrepotencial e o controle da seletividade dos compostos produzidos, todos diretamente influenciados pela natureza do catalisador e pelas condições da reação. Em estudos recentes, uma nova classe de compostos conhecidos como fosfetos metálicos (FM) tem atraído a atenção para reações eletroquímicas de conversão de CO2. Esses compostos são considerados alternativas aos metais nobres para reações de evolução de hidrogênio (REH), reação competitiva à reação de redução de CO2 (CO2RR). No entanto, descobertas recentes indicam que a incorporação de átomos de fósforo a rede cristalina de metais de transição pode induzir a formação de ligações insaturadas na superfície do material, favorecendo assim a dimerização de moléculas de CO2. Estudos eletroquímicos mostraram que os fosfetos metálicos apresentam alta condutividade e resistência química em uma ampla faixa de pH, demonstrando sua versatilidade em trabalhar em condições neutras e alcalinas. Embora promissores, há poucos relatos sobre a aplicação de fosfetos metálicos para CO2RR na produção de produtos com alto valor agregado. Isso ressalta a necessidade de avançar em nossa compreensão do potencial eletrocatalítico desses materiais e elucidar a função do fósforo no processo. Este estudo pretende preencher essas lacunas de conhecimento investigando o potencial eletrocatalítico do fosfeto de níquel (NiPx) e do fosfeto de cobre (CuPx) em um sistema eletroquímico de fluxo e de alta corrente. O supervisor proposto, Prof. Dr. Cao Thang Dihn, possui experiência em engenharia de células eletroquímicas e avaliação de processos, o que torna sua supervisão crucial para o sucesso desse projeto. Ao validar o potencial catalítico desses materiais em condições extremas, podemos expandir a gama de catalisadores ativos para transformar CO2 em compostos de valor agregado, trabalhando assim para alcançar emissões líquidas zero, uma meta alinhada com o 13º Objetivo de Desenvolvimento Sustentável estabelecido pelas Nações Unidas. A execução bem-sucedida desse projeto estará intimamente ligada ao processo FAPESP mencionado anteriormente, que fornece recursos para o desenvolvimento de materiais funcionais e sistemas eletroquímicos eficazes. Os catalisadores serão sintetizados usando métodos de precipitação seguidos de fosfatização térmica, e serão aplicados em um sistema de fluxo eletroquímico com potenciais e taxas de fluxo variáveis para otimizar a configuração. Técnicas avançadas de caracterização, incluindo XPS e FTIR, serão empregadas para estudar a cinética de formação de produtos, enquanto NMR/HPLC e GC serão usados para quantificar os compostos gerados. (AU)