Kawanishi, Japonia, 15 listopada 2022 r. /PRNewswire/ — Problemy środowiskowe, takie jak zmiana klimatu, wyczerpywanie się zasobów naturalnych, wymieranie gatunków, zanieczyszczenie plastikiem i wylesianie, nasilają się na całym świecie z powodu eksplozji demograficznej.
Dwutlenek węgla (CO2) jest gazem cieplarnianym i jedną z głównych przyczyn zmian klimatu. W tym kontekście proces znany jako „sztuczna fotosynteza (fotoredukcja CO2)” pozwala na wytwarzanie organicznych surowców do paliw i chemikaliów z CO2, wody i energii słonecznej, podobnie jak rośliny. Jednocześnie redukują one emisję CO2, ponieważ CO2 jest wykorzystywany jako surowiec do produkcji energii i surowców chemicznych. Dlatego sztuczna fotosynteza jest uważana za jedną z najnowszych zielonych technologii.
MOF-y (Metal Organic Frameworks) to ultraporowate materiały składające się z klastrów metali nieorganicznych i organicznych łączników. Można je kontrolować na poziomie molekularnym w zakresie nanometrów i charakteryzują 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. Ostatnio odkryto, że MOF-y posiadają zdolność wychwytywania CO2, co umożliwia fotoredukcję CO2, czyli sztuczną fotosyntezę.
Kropki kwantowe to z kolei ultracienkie materiały (0,5–9 nm), których właściwości optyczne są zgodne z zasadami chemii i mechaniki kwantowej. Nazywa się je „sztucznymi atomami” lub „sztucznymi cząsteczkami”, ponieważ każda kropka kwantowa składa się z zaledwie kilku lub kilku 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 kropek kwantowych. 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 w ramach Green Science Alliance. Wcześniej z powodzeniem wykorzystano materiały kompozytowe z kropkami kwantowymi MOF do produkcji kwasu mrówkowego jako specjalnego katalizatora do sztucznej fotosyntezy. Katalizatory te mają jednak postać proszku, który w każdym procesie musi być filtrowany. Z tego powodu, ponieważ procesy te nie są ciągłe, trudno jest je zastosować w praktyce przemysłowej.
W odpowiedzi, pan Tetsuro Kajino, pan Hirohisa Iwabayashi i dr Ryohei Mori z Green Science Alliance Co., Ltd. wykorzystali swoją technologię do immobilizacji tych specjalnych katalizatorów sztucznej fotosyntezy na niedrogich arkuszach tekstylnych i opracowali nowy proces produkcji kwasu mrówkowego, który może być stosowany w sposób ciągły w praktycznych zastosowaniach przemysłowych. Po zakończeniu reakcji sztucznej fotosyntezy, wodę zawierającą kwas mrówkowy można usunąć w celu ekstrakcji, a następnie do pojemnika dodać nową, świeżą wodę, aby kontynuować sztuczną fotosyntezę.
Kwas mrówkowy może zastąpić paliwo wodorowe. Jednym z głównych powodów, dla których społeczeństwo wodorowe nie może się rozwijać na świecie, jest fakt, że wodór jest najmniejszym atomem we wszechświecie, co utrudnia jego magazynowanie, a produkcja zbiornika na wodór o wysokiej szczelności będzie bardzo kosztowna. Ponadto wodór może być wybuchowy i stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa. Ponieważ kwas mrówkowy jest cieczą, łatwiej jest go przechowywać jako paliwo. W razie potrzeby kwas mrówkowy może być użyty do katalizy produkcji wodoru in situ. Ponadto kwas mrówkowy może być wykorzystywany jako surowiec do produkcji różnych chemikaliów.
Mimo że wydajność sztucznej fotosyntezy jest wciąż niska, Sojusz Zielonej Nauki będzie nadal dążył do zwiększenia wydajności, aby znaleźć praktyczne zastosowania dla sztucznej fotosyntezy.