KAWANISH, Japonia, 15 listopada 2022 r. /PRNewswire/ — Problemy środowiskowe, takie jak zmiana klimatu, wyczerpywanie się zasobów, wymieranie gatunków, zanieczyszczenie plastikiem i wylesianie spowodowane gwałtownym wzrostem populacji świata stają się coraz bardziej palące.
Dwutlenek węgla (CO2) jest gazem cieplarnianym i jedną z głównych przyczyn zmian klimatu. W tym kontekście proces zwany „sztuczną fotosyntezą (fotoredukcją dwutlenku węgla)” pozwala na wytwarzanie organicznych surowców do produkcji paliw i chemikaliów z dwutlenku węgla, wody i energii słonecznej, podobnie jak rośliny. Jednocześnie redukują one emisję CO2, który jest wykorzystywany jako surowiec do produkcji energii i chemikaliów. Dlatego sztuczna fotosynteza jest uważana za jedną z najbardziej zaawansowanych zielonych technologii.
MOF-y (struktury metalo-organiczne) to materiały superporowate, składające się z klastrów metali nieorganicznych i organicznych łączników. Można je kontrolować na poziomie molekularnym w zakresie nanometrów, charakteryzując się dużą powierzchnią. Dzięki tym właściwościom, MOF-y znajdują zastosowanie w magazynowaniu gazów, separacji, adsorpcji metali, katalizie, transporcie leków, uzdatnianiu wody, czujnikach, elektrodach, filtrach itp. Niedawno odkryto, że MOF-y mają zdolność wychwytywania CO2, co może być wykorzystane do produkcji substancji organicznych poprzez fotoredukcję CO2, znaną również jako sztuczna fotosynteza.
Kropki kwantowe to z kolei ultradrobne materiały (0,5–9 nanometrów) o właściwościach optycznych zgodnych z zasadami chemii i mechaniki kwantowej. Nazywa się je „sztucznymi atomami” lub „sztucznymi cząsteczkami”, ponieważ każda kropka kwantowa składa się z zaledwie kilku do tysięcy atomów lub cząsteczek. W tym zakresie rozmiarów poziomy energetyczne elektronów nie są już ciągłe i ulegają rozdzieleniu w wyniku zjawiska fizycznego znanego jako efekt uwięzienia kwantowego. W tym przypadku długość fali emitowanego światła będzie zależeć od rozmiaru kropki kwantowej. Kropki kwantowe mogą być również stosowane w sztucznej fotosyntezie ze względu na ich wysoką zdolność absorpcji światła, zdolność do generowania wielu ekscytonów i dużą powierzchnię.
Zarówno MOF-y, jak i kropki kwantowe zostały zsyntetyzowane przez Green Science Alliance. Wcześniej z powodzeniem wykorzystano kompozyty MOF-kropki kwantowe do produkcji kwasu mrówkowego jako specjalnego katalizatora do sztucznej fotosyntezy. Katalizatory te występują jednak w postaci proszku, który w każdym procesie musi być filtrowany. Dlatego trudno jest je zastosować w praktyce przemysłowej, ponieważ procesy te nie są ciągłe.
W odpowiedzi, pan Kajino Tetsuro, pan Iwabayashi Hirohisa i dr Mori Ryohei z Green Science Alliance Co., Ltd. wykorzystali swoją technologię do unieruchomienia tych specjalnych katalizatorów sztucznej fotosyntezy na niedrogim materiale tekstylnym i otworzyli nową instalację kwasu mrówkowego. Proces ten może być prowadzony w sposób ciągły w praktycznych zastosowaniach przemysłowych. Po zakończeniu reakcji sztucznej fotosyntezy, wodę zawierającą kwas mrówkowy można oddzielić i wyekstrahować, a następnie do pojemnika dodać nową, świeżą wodę, aby kontynuować proces sztucznej fotosyntezy.
Kwas mrówkowy może zastąpić paliwo wodorowe. Jednym z głównych powodów hamujących globalne wdrożenie społeczeństwa opartego na wodorze jest to, że wodór, najmniejszy atom we wszechświecie, jest trudny do magazynowania, a zbudowanie szczelnego zbiornika wodoru byłoby bardzo kosztowne. Ponadto wodór w stanie gazowym może być wybuchowy i stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa. Znacznie łatwiej jest przechowywać kwasy mrówkowe jako paliwo, ponieważ są one ciekłe. W razie potrzeby kwas mrówkowy może katalizować reakcję, w wyniku której powstaje wodór in situ. Ponadto kwas mrówkowy może być wykorzystywany jako surowiec do produkcji różnych chemikaliów.
Mimo że efektywność sztucznej fotosyntezy jest obecnie wciąż bardzo niska, Sojusz Zielonej Nauki będzie nadal dążył do jej zwiększenia i wprowadzenia prawdziwie stosowanej sztucznej fotosyntezy.