KAWANISH, Japonska, 15. november 2022 /PRNewswire/ – Okoljska vprašanja, kot so podnebne spremembe, izčrpavanje virov, izumiranje vrst, onesnaževanje s plastiko in krčenje gozdov, ki jih povzroča porast svetovnega prebivalstva, postajajo vse bolj pereča.
Ogljikov dioksid (CO2) je toplogredni plin in eden glavnih vzrokov za podnebne spremembe. V zvezi s tem lahko proces, imenovan »umetna fotosinteza (fotoredukcija ogljikovega dioksida)«, iz ogljikovega dioksida, vode in sončne energije proizvaja organske surovine za gorivo in kemikalije, tako kot to počnejo rastline. Hkrati zmanjšujejo emisije CO2, ki se uporabljajo kot surovina za proizvodnjo energije in kemikalij. Zato je umetna fotosinteza znana kot ena najnaprednejših zelenih tehnologij.
MOF (kovinsko-organski ogrodji) so superporozni materiali, sestavljeni iz skupkov anorganskih kovin in organskih povezovalcev. Na molekularni ravni jih je mogoče nadzorovati v nano območju z veliko površino. Zaradi teh lastnosti se MOF-i lahko uporabljajo pri shranjevanju plinov, ločevanju, adsorpciji kovin, katalizi, dostavi zdravil, čiščenju vode, senzorjih, elektrodah, filtrih itd. Nedavno je bilo ugotovljeno, da imajo MOF-i sposobnost zajemanja CO2, ki se lahko uporabi za proizvodnjo organskih snovi s fotoredukcijo CO2, znano tudi kot umetna fotosinteza.
Kvantne pike pa so ultra drobni materiali (0,5–9 nanometrov) z optičnimi lastnostmi, ki upoštevajo pravila kvantne kemije in kvantne mehanike. Imenujejo se »umetni atomi ali umetne molekule«, ker vsaka kvantna pika sestoji le iz nekaj do tisoč atomov ali molekul. V tem velikostnem območju energijske ravni elektronov niso več neprekinjene in se ločijo zaradi fizikalnega pojava, znanega kot učinek kvantne omejitve. V tem primeru bo valovna dolžina oddane svetlobe odvisna od velikosti kvantne pike. Te kvantne pike se lahko uporabljajo tudi pri umetni fotosintezi zaradi njihove visoke absorpcijske sposobnosti svetlobe, sposobnosti ustvarjanja več eksitonov in velike površine.
Tako MOF-e kot kvantne pike je sintetizirala organizacija Green Science Alliance. Pred tem so uspešno uporabili kompozite MOF-kvantne pike za proizvodnjo mravljinčne kisline kot posebnega katalizatorja za umetno fotosintezo. Vendar so ti katalizatorji v obliki prahu in te katalizatorske praške je treba v vsakem procesu zbrati s filtracijo. Zato jih je težko uporabiti v resnični industrijski uporabi, ker ti procesi niso neprekinjeni.
V odgovor so g. Kajino Tetsuro, g. Iwabayashi Hirohisa in dr. Mori Ryohei iz podjetja Green Science Alliance Co., Ltd. s svojo tehnologijo imobilizirali te posebne umetne katalizatorje fotosinteze na poceni tekstilni tkanini in odprli nov obrat za proizvodnjo mravljinčne kisline. Postopek se lahko za praktično industrijsko uporabo izvaja neprekinjeno. Po zaključku umetne fotosinteze se lahko voda, ki vsebuje mravljinčno kislino, odvzame in ekstrahira, nato pa se v posodo doda nova sveža voda, da se nadaljuje umetna fotosinteza.
Mravljinčna kislina lahko nadomesti vodikovo gorivo. Eden glavnih razlogov, ki ovirajo svetovno sprejetje družbe, ki temelji na vodiku, je ta, da je vodik, najmanjši atom v vesolju, težko shranjevati, gradnja dobro zaprtega rezervoarja vodika pa bi bila zelo draga. Poleg tega je vodikov plin lahko eksploziven in predstavlja varnostno tveganje. Mravljinčno kislino je veliko lažje shranjevati kot gorivo, ker je tekoča. Po potrebi lahko mravljinčna kislina katalizira reakcijo za proizvodnjo vodika in situ. Poleg tega se mravljinčna kislina lahko uporablja kot surovina za različne kemikalije.
Čeprav je učinkovitost umetne fotosinteze trenutno še vedno zelo nizka, si bo Zavezništvo za zeleno znanost še naprej prizadevalo za povečanje učinkovitosti in uvedbo resnično uporabne umetne fotosinteze.