LED feita a partir da casca do arroz

O beneficiamento do arroz para separar o grão da casca produz cerca de 100 milhões de toneladas de resíduos de casca de arroz por ano em todo o mundo.

Cientistas que buscam um método viável economicamente para fabricar pontos quânticos desenvolveram uma maneira de reciclar cascas de arroz para criar a primeira luz LED de ponto quântico de silício (QD).

Seu novo método transforma resíduos agrícolas em diodos emissores de luz de última geração de maneira econômica e ecológica.

A equipe de pesquisa do Centro de Ciências Naturais para Pesquisa e Desenvolvimento Básico da Universidade de Hiroshima publicou suas descobertas em 28 de janeiro de 2022 na revista ACS Sustainable Chemistry & Engineering da American Chemical Society.

“Como os QDs típicos geralmente envolvem materiais tóxicos, como cádmio, chumbo ou outros metais pesados, as preocupações ambientais têm sido frequentemente deliberadas ao usar nanomateriais. Nosso processo e método de fabricação propostos para QDs minimizam essas preocupações”, disse Ken-ichi Saitow, líder autor do estudo e professor de química na Universidade de Hiroshima.

Desde que o silício poroso (Si) foi descoberto na década de 1950, os cientistas exploraram seus usos em aplicações em baterias de íons de lítio, materiais luminescentes, sensores biomédicos e sistemas de entrega de medicamentos.

Não tóxico e encontrado em abundância na natureza, o Si possui propriedades de fotoluminescência, decorrentes de suas estruturas de pontos microscópicas (de tamanho quântico) que servem como semicondutores.

Conscientes das preocupações ambientais em torno dos pontos quânticos atuais, os pesquisadores decidiram encontrar um novo método para fabricar pontos quânticos que tenha menos impacto no meio ambiente.

As cascas de arroz, ao que parece, são uma excelente fonte de sílica de alta pureza (SiO₂) e pó de Si de valor agregado.

A equipe usou uma combinação de moagem, tratamentos térmicos e ataque químico para processar a sílica da casca de arroz:

primeiro, eles moeram as cascas de arroz e extraíram os pós de sílica (SiO₂) queimando compostos orgânicos das cascas de arroz moídas.

Em segundo lugar, eles aqueceram o pó de sílica resultante em um forno elétrico para obter pós de Si por meio de uma reação de redução.

Terceiro, o produto era um pó de Si purificado que foi reduzido para 3 nanômetros de tamanho por reação química.

Por fim, sua superfície foi quimicamente mudada para alta estabilidade química e alta dispersividade em solvente, com partículas cristalinas de 3 nm para produzir os SiQDs que luminescentes na faixa laranja-vermelho com alta eficiência de luminescência, superior a 20%.

(a) Espigas de arroz plantadas em Hiroshima Japão. (b) Ilustração esquemática de um grão de arroz com casca de arroz composta por 20% em peso de SiO2. Fotografias de (c) casca de arroz, (d) pó de SiO2 extraído de casca de arroz e (e) pó de Si sintetizado a partir de (d). Imagens de microscópio eletrônico de (f) a estrutura da concha de SiO2 e (g) ponto quântico de Si. Fotoluminescência do ponto quântico de Si mostrando (h) fotografia e (i) espectros. (j) LED de ponto quântico de Si e (k) espectro de eletroluminescência do LED de ponto quântico de Si. Crédito: ACS Sustainable Chem. Eng

“Esta é a primeira pesquisa que desenvolve um LED a partir de cascas de arroz residuais”, disse Saitow, acrescentando que a qualidade não tóxica do silício os torna uma alternativa atraente aos atuais pontos quânticos semicondutores disponíveis hoje.

“O método atual se torna um método nobre para desenvolver LEDs de ponto quântico ecologicamente corretos a partir de produtos naturais”, disse ele.

Os LEDs foram montados como uma série de camadas de material.

Um substrato de vidro de óxido de índio-estanho (ITO) foi o ânodo de LED; é um bom condutor de eletricidade enquanto suficientemente transparente para a emissão de luz.

Camadas adicionais foram revestidas por rotação no vidro ITO, incluindo a camada de SiQDs.

O material foi tampado com um cátodo de filme de alumínio.

O método de síntese química que a equipe desenvolveu permitiu avaliar as propriedades ópticas e optoelétricas do diodo emissor de luz SiQD, incluindo as estruturas, rendimentos de síntese e propriedades dos pós de SiO₂ e Si e SiQDs.

“Ao sintetizar SiQDs de alto rendimento a partir de cascas ricas e dispersá-los em solventes orgânicos, é possível que um dia esses processos possam ser implementados em larga escala, como outros processos químicos de alto rendimento”, disse Saitow.

Os próximos passos da equipe incluem o desenvolvimento de luminescência de maior eficiência nos SiQDs e nos LEDs.

Eles também explorarão a possibilidade de produzir LEDs SiQD diferentes da cor vermelho-alaranjada que acabaram de criar.

Olhando para o futuro, os cientistas sugerem que o método que desenvolveram pode ser aplicado a outras plantas, como bambu da cana-de-açúcar, trigo, cevada ou gramíneas, que contêm SiO₂.

Esses produtos naturais e seus resíduos podem ter potencial para serem transformados em dispositivos optoeletrônicos não tóxicos.

Em última análise, os cientistas gostariam de ver a comercialização dessa abordagem ecologicamente correta para criar dispositivos luminescentes a partir de resíduos de casca de arroz.

Outros membros da equipe de pesquisa, também da Universidade de Hiroshima, incluem Honoka Ueda, Shiho Terada e Taisei Ono.