O Grupo de Pesquisa em Química dos Materiais Porosos (GPQMAP) da Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) é uma das referências nacionais na manipulação e desenvolvimento das estruturas criadas pelos cientistas contemplados com o Nobel de Química em 2025, as MOFs (metal-organic frameworks). Em 1989, Richard Robson demonstrou o potencial da construção molecular, criando uma estrutura espaçosa e cristalina, Susumu Kitagawa demonstrou que gases podiam ser capturados no interior de seus poros. Omar Yaghi criou uma MOF importante para estudos de design destes sistemas, levando-a uma série de estruturas robustas e cada vez mais aplicadas. 

Liderado pela pesquisadora Charlane Cimini Corrêa, o grupo de pesquisa da UFJF trabalha desde 2013 tanto com MOFs já estudadas na literatura científica, quanto em estruturas inéditas. De acordo com a pesquisadora, líder do grupo, a vantagem dessas estruturas metal-orgânicas é que são ultraporosas, portanto, capazes de capturar, armazenar e separar moléculas de forma bem específica, para uma dada aplicação. 

As MOFs são uma classe especial dos polímeros de coordenação, ou seja, são constituídas por metais que se unem a moléculas orgânicos, formando estruturas porosas expandidas, capazes de alojar moléculas hospedeiras de diversos tamanhos, como gases, corantes e até mesmo moléculas maiores como proteínas. “Como é possível construir essas redes a partir da escolha de metais e de ligantes, podemos escolher ligantes de diferentes dimensões e isso pode originar redes com poros cada vez maiores”, explica.

O GPQMAP trabalha na reprodução e no escalonamento das MOFs, já que um grande problema não é só conseguir reproduzir, é colocar em escala industrial. “Como manipulamos diversas MOFs, focamos em testar suas aplicações. O grupo desenvolve desde 2019 projetos em parceria com a Petrobras para remoção de contaminantes sulfurados. Charlane enfatiza que os projetos são realizados em colaboração com outros dois grupos na Instituição, o Grupo Físico Química de Sólidos e Interfaces (GFQSI), liderado por Alexandre Leitão, responsável pela parte teórica, “eles fazem os cálculos e nós, a parte experimental”, explica,  e o Grupo de Química Analítica e Quimiometria – GQAQ, liderado por Marcone Oliveira. Somente com os trabalhos vinculados à Petrobras, o grupo já aprovou quase 5 milhões de verba para os laboratórios.

Com os recursos conquistados foi possível montar no laboratório uma linha de adsorção de gases, que possibilita passar os gases por um reator contendo as MOFs por uma linha de gás e detectar a sobra, ou seja, detectar aquilo que a MOF não adsorveu. “Conseguimos, inclusive, calcular o tempo de adsorção, quanto foi adsorvido pelas MOFs e o tempo que elas demoraram para saturar. Estudamos assim os ciclos, quanto tempo leva e quantas vezes conseguimos regenerar essas MOFs. Compramos também um reator de grande escala que nos possibilita fazer 100 gramas de MOF por vez”, esclarece a pesquisadora. 

MOFs mostram potencial para limpar e recuperar recursos da água

A contaminação da água por corantes industriais e metais pesados é um dos grandes desafios ambientais do século XXI. Substâncias amplamente utilizadas por setores como o têxtil e o metalúrgico alteram a qualidade dos corpos d’água, prejudicam organismos aquáticos e podem representar riscos à saúde humana. Em busca de soluções sustentáveis e eficientes, o grupo desenvolveu estruturas metal-orgânicas (MOFs) com redes cristalinas altamente porosas, comparáveis a esponjas em escala nanométrica. Essa característica permite que funcionem como filtros seletivos, capazes de capturar e reter poluentes específicos presentes na água.

Em um dos estudos (Metal–organic frameworks for high-performance removal of sunset yellow dye: Combined Box-Behnken design and theoretical insights into adsorption) o grupo testou duas MOFs de alta estabilidade química para adsorção e a remoção do corante Sunset Yellow, um dos mais comuns na indústria. As análises mostraram que os materiais mantêm sua estrutura mesmo após a adsorção do corante e altas taxas de remoção observadas, superiores a 99%. A pesquisadora acrescentou que o grupo está fazendo estudos também com outros corantes. As MOFs se destacaram pela estabilidade e reutilização, mantendo o desempenho após quatro ciclos de uso, além de apresentarem liberação insignificante de metais — fatores que reforçam seu potencial para aplicações em tratamento de efluentes reais.

Em outro trabalho (An anionic-MOF based on Co2+ and an alkane tetracarboxylate ligand exhibiting Ni2+ ion-exchange behavior), o grupo desenvolveu uma MOF baseada em cobalto e ligantes orgânicos. Neste caso, a rede é aniônica e possui cátions dimetilamônio nos poros, esses cátions são trocados por íons de níquel, podendo ser utilizados como adsorventes de metais pesados em águas residuais. Testes laboratoriais mostraram alta seletividade e afinidade por íons de níquel, e seu comportamento pode ser ajustado conforme a concentração inicial e o tempo de contato.

Os resultados ampliam a biblioteca de MOFs aniônicos conhecidos e demonstram seu potencial em processos de purificação de águas e recuperação de metais a partir de efluentes industriais. “Percebemos que essa MOF adsorve o metal pesado e depois ainda conseguimos regenerar esses materiais, seja por temperatura, por pressão ou até mesmo, dependendo da solução do solvente, por troca de solvente, sendo esse o grande diferencial das MOFs”, explica Charlane. 

Juntos, os dois estudos reforçam o papel das MOFs como materiais multifuncionais e sustentáveis no tratamento da água — capazes não apenas de remover poluentes orgânicos e metálicos, mas também de serem reutilizados sem perda de desempenho. “Estamos, inclusive, trabalhando no registro de patente junto ao Critt. A nossa MOF, que envolve a adsorção de um metal em cachaça, provavelmente, vai se chamar UFJF-01. Estamos muito orgulhosos, assim que terminarmos o processo de patente vamos tentar publicar os resultados”, comemora. O projeto foi feito em colaboração com o professor Rafael Arromba, do departamento de Química (DQ). Essas pesquisas representam avanços importantes na química de materiais e engenharia ambiental, contribuindo para o desenvolvimento de tecnologias limpas voltadas à preservação dos recursos hídricos e à transição para uma economia mais circular.

Para finalizar, o grupo também tem feito, em parceria com o professor Gustavo Andrade (DQ), uma combinação das MOFs com nanopartículas metálicas, na intenção de intensificar as propriedades das nanopartículas e a intenção é utilizar essa combinação para sensores de pesticidas, por exemplo. 

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