Kawanishi, Japonska, 15. november 2022 /PRNewswire/ – Okoljski problemi, kot so podnebne spremembe, izčrpavanje naravnih virov, izumrtje vrst, onesnaževanje s plastiko in krčenje gozdov, se zaradi eksplozije prebivalstva po vsem svetu zaostrujejo.
Ogljikov dioksid (CO2) je toplogredni plin in eden glavnih vzrokov za podnebne spremembe. V zvezi s tem lahko proces, znan kot »umetna fotosinteza (fotoredukcija CO2)«, iz CO2, vode in sončne energije proizvaja organske surovine za goriva in kemikalije, tako kot to počnejo rastline. Hkrati pa zmanjšujejo tudi emisije CO2, saj se CO2 uporablja kot surovina za proizvodnjo energije in kemičnih virov. Zato umetna fotosinteza velja za eno najnovejših zelenih tehnologij.
MOF (Metal Organic Frameworks) so ultraporozni materiali, sestavljeni iz skupkov anorganskih kovin in organskih povezovalcev. Njihovo delovanje je mogoče nadzorovati na molekularni ravni v nanometrskem območju in imajo 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 ga je mogoče fotoreducirati, torej pri umetni fotosintezi.
Kvantne pike pa so ultratanki materiali (0,5–9 nm), katerih optične lastnosti so v skladu s pravili kvantne kemije in kvantne mehanike. Imenujejo se »umetni atomi ali umetne molekule«, ker vsaka kvantna pika sestoji le iz nekaj ali nekaj tisoč atomov ali molekul. V tem velikostnem območju energijske ravni elektronov niso več neprekinjene in se zaradi fizikalnega pojava, znanega kot učinek kvantne omejitve, ločijo. V tem primeru bo valovna dolžina oddane svetlobe odvisna od velikosti kvantnih pik. 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-ji kot kvantne pike so bili sintetizirani v okviru organizacije Green Science Alliance. Pred tem so uspešno uporabili kompozitne materiale s kvantnimi pikami MOF 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. Ker ti procesi niso neprekinjeni, jih je težko uporabiti za praktično industrijsko uporabo.
V odgovor so g. Tetsuro Kajino, g. Hirohisa Iwabayashi in dr. Ryohei Mori iz podjetja Green Science Alliance Co., Ltd. s svojo tehnologijo imobilizirali te posebne umetne katalizatorje fotosinteze na poceni tekstilne plošče in razvili nov postopek za proizvodnjo mravljinčne kisline, ki lahko neprekinjeno deluje v praktičnih industrijskih aplikacijah. Po zaključku umetne fotosinteze se lahko voda, ki vsebuje mravljinčno kislino, odvzame za ekstrakcijo, v posodo pa se lahko doda nova sveža voda, da se umetna fotosinteza neprekinjeno nadaljuje.
Mravljinčna kislina lahko nadomesti vodikovo gorivo. Eden glavnih razlogov, ki preprečujejo širjenje vodikove družbe po svetu, je, da je vodik najmanjši atom v vesolju, zato ga je težko shraniti, proizvodnja vodikovega rezervoarja z visokim tesnilnim učinkom pa bo zelo draga. Poleg tega je vodikov plin lahko eksploziven in predstavlja varnostno tveganje. Ker je mravljinčna kislina tekočina, jo je lažje shranjevati kot gorivo. Po potrebi se lahko mravljinčna kislina uporabi za kataliziranje proizvodnje vodika in situ. Poleg tega se lahko mravljinčna kislina uporablja kot surovina za različne kemikalije.
Čeprav je učinkovitost umetne fotosinteze še vedno nizka, si bo Zavezništvo za zeleno znanost še naprej prizadevalo za izboljšanje učinkovitosti, da bi vzpostavilo praktične aplikacije za umetno fotosintezo.