Kawanishi, Japonia, 15 noiembrie 2022 /PRNewswire/ — Problemele de mediu precum schimbările climatice, epuizarea resurselor naturale, dispariția speciilor, poluarea cu plastic și defrișările se exacerbează în întreaga lume din cauza exploziei demografice.
Dioxidul de carbon (CO2) este un gaz cu efect de seră și una dintre principalele cauze ale schimbărilor climatice. În acest sens, un proces cunoscut sub numele de „fotosinteză artificială (fotoreducerea CO2)” poate produce materii prime organice pentru combustibili și substanțe chimice din CO2, apă și energie solară, la fel cum fac plantele. În același timp, acestea reduc și emisiile de CO2, deoarece CO2 este utilizat ca materie primă pentru producerea de energie și resurse chimice. Prin urmare, fotosinteza artificială este considerată una dintre cele mai recente tehnologii verzi.
MOF-urile (Metal Organic Frameworks - structuri metalice organice) sunt materiale ultraporoase compuse din clustere de metale anorganice și linkeri organici. Acestea pot fi controlate la nivel molecular în domeniul nanometric și au 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 captare a CO2-ului, putând fi fotoredus, adică fotosinteză artificială.
Punctele cuantice, pe de altă parte, sunt materiale ultrafin (0,5–9 nm) ale căror proprietăți optice sunt conforme regulilor chimiei cuantice și mecanicii cuantice. Ele sunt numite „atomi artificiali sau molecule artificiale” deoarece fiecare punct cuantic este format doar din câteva sau câteva mii de atomi sau molecule. În acest interval de dimensiuni, nivelurile de energie ale electronilor nu mai sunt continue și devin separate datorită unui fenomen fizic cunoscut sub numele de efectul de confinare cuantică. În acest caz, lungimea de undă a luminii emise va depinde de dimensiunea punctelor cuantice. 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 în cadrul Green Science Alliance. Anterior, s-au folosit cu succes materiale compozite cu puncte cuantice MOF 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, deoarece aceste procese nu sunt continue, sunt dificil de aplicat în practică în industrie.
Ca răspuns, dl. Tetsuro Kajino, dl. Hirohisa Iwabayashi și Dr. Ryohei Mori de la Green Science Alliance Co., Ltd. și-au folosit tehnologia pentru a imobiliza acești catalizatori speciali de fotosinteză artificială pe foi textile ieftine și au dezvoltat un nou proces pentru producerea acidului formic, care poate funcționa continuu în aplicații industriale practice. După finalizarea reacției de fotosinteză artificială, apa care conține acid formic poate fi extrasă, iar apă proaspătă poate fi adăugată înapoi în recipient pentru a relua continuu fotosinteza artificială.
Acidul formic poate înlocui combustibilul bazat pe hidrogen. Unul dintre principalele motive care împiedică răspândirea unei societăți bazate pe hidrogen în întreaga lume este faptul că hidrogenul este cel mai mic atom din univers, așa că este dificil de stocat, iar producerea unui rezervor de hidrogen cu un efect de etanșare ridicat va fi foarte costisitoare. În plus, hidrogenul gazos poate fi exploziv și poate reprezenta un pericol pentru siguranță. Deoarece acidul formic este un lichid, este mai ușor de stocat ca și combustibil. Dacă este necesar, acidul formic poate fi utilizat pentru a cataliza producerea de hidrogen in situ. În plus, acidul formic poate fi utilizat ca materie primă pentru diverse substanțe chimice.
Deși eficiența fotosintezei artificiale este încă scăzută, Alianța pentru Știința Verde va continua să lupte pentru îmbunătățiri ale eficienței pentru a stabili aplicații practice pentru fotosinteza artificială.