KAWANISH, Japonia, 15 noiembrie 2022 /PRNewswire/ — Problemele de mediu precum schimbările climatice, epuizarea resurselor, dispariția speciilor, poluarea cu plastic și defrișările cauzate de creșterea populației lumii devin din ce în ce mai presante.
Dioxidul de carbon (CO2) este un gaz cu efect de seră și una dintre principalele cauze ale schimbărilor climatice. În acest sens, un proces numit „fotosinteză artificială (fotoreducerea dioxidului de carbon)” poate produce materii prime organice pentru combustibil și substanțe chimice din dioxid de carbon, apă și energie solară, așa cum fac plantele. În același timp, acestea reduc emisiile de CO2, care sunt utilizate ca materii prime pentru producția de energie și substanțe chimice. Prin urmare, fotosinteza artificială este cunoscută ca una dintre cele mai avansate tehnologii verzi.
MOF-urile (structuri metal-organice) sunt materiale superporoase compuse din clustere de metale anorganice și linkeri organici. Acestea pot fi controlate la nivel molecular în domeniul nano, cu o suprafață mare. Datorită acestor proprietăți, MOF-urile pot fi aplicate în stocarea gazelor, separare, adsorbția metalelor, cataliză, administrarea de medicamente, tratarea apei, senzori, electrozi, filtre etc. Recent s-a descoperit că MOF-urile au capacitatea de a capta CO2, care poate fi utilizat pentru a produce substanțe organice prin fotoreducerea CO2, cunoscută și sub numele de fotosinteză artificială.
Punctele cuantice, pe de altă parte, sunt materiale ultra-minute (0,5–9 nanometri) cu proprietăți optice care respectă regulile chimiei cuantice și mecanicii cuantice. Ele sunt numite „atomi artificiali sau molecule artificiale” deoarece fiecare punct cuantic este format din doar câțiva până la mii de atomi sau molecule. În acest interval de dimensiuni, nivelurile de energie ale electronilor nu mai sunt continue și devin separate din cauza unui fenomen fizic cunoscut sub numele de efectul de confinare cuantică. În acest caz, lungimea de undă a luminii emise va depinde de dimensiunea punctului cuantic. Aceste puncte cuantice pot fi aplicate și în fotosinteza artificială datorită capacității lor ridicate de absorbție a luminii, abilității de a genera excitoni multipli și suprafeței mari.
Atât MOF-urile, cât și punctele cuantice au fost sintetizate de Green Science Alliance. Anterior, au folosit cu succes compozite MOF-puncte cuantice pentru a produce acid formic ca și catalizator special pentru fotosinteza artificială. Cu toate acestea, acești catalizatori sunt sub formă de pulbere și aceste pulberi de catalizator trebuie colectate prin filtrare în fiecare proces. Prin urmare, este dificil să fie aplicați în uz industrial real, deoarece aceste procese nu sunt continue.
Ca răspuns, dl. Kajino Tetsuro, dl. Iwabayashi Hirohisa și Dr. Mori Ryohei de la Green Science Alliance Co., Ltd. și-au folosit tehnologia pentru a imobiliza acești catalizatori speciali de fotosinteză artificială pe un material textil ieftin și au deschis o nouă fabrică de acid formic. Procesul poate fi rulat continuu pentru aplicații industriale practice. După finalizarea reacției de fotosinteză artificială, apa care conține acid formic poate fi scoasă și extrasă, iar apoi se poate adăuga apă proaspătă în recipient pentru a continua reluarea fotosintezei artificiale.
Acidul formic poate înlocui combustibilul pe bază de hidrogen. Unul dintre principalele motive care împiedică adoptarea la nivel mondial a unei societăți bazate pe hidrogen este faptul că hidrogenul, cel mai mic atom din univers, este dificil de stocat și ar fi foarte scump să se construiască un rezervor de hidrogen bine etanș. În plus, hidrogenul gazos poate fi exploziv și poate reprezenta un pericol pentru siguranță. Este mult mai ușor să se depoziteze acizii formici drept combustibil, deoarece sunt lichizi. Dacă este necesar, acidul formic poate cataliza reacția de producere a hidrogenului in situ. În plus, acidul formic poate fi utilizat ca materie primă pentru diverse substanțe chimice.
Chiar dacă eficiența fotosintezei artificiale este în prezent încă foarte scăzută, Alianța pentru Știința Verde va continua să lupte pentru creșterea eficienței și introducerea fotosintezei artificiale cu adevărat aplicate.