ΚΑΒΑΝΙΣ, Ιαπωνία, 15 Νοεμβρίου 2022 /PRNewswire/ — Περιβαλλοντικά ζητήματα όπως η κλιματική αλλαγή, η εξάντληση των πόρων, η εξαφάνιση ειδών, η ρύπανση από πλαστικά και η αποψίλωση των δασών που προκαλούνται από την αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού γίνονται ολοένα και πιο πιεστικά.
Το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) είναι ένα αέριο του θερμοκηπίου και μία από τις κύριες αιτίες της κλιματικής αλλαγής. Από αυτή την άποψη, μια διαδικασία που ονομάζεται «τεχνητή φωτοσύνθεση (φωτοαναγωγή διοξειδίου του άνθρακα)» μπορεί να παράγει οργανικές πρώτες ύλες για καύσιμα και χημικά από διοξείδιο του άνθρακα, νερό και ηλιακή ενέργεια, όπως κάνουν τα φυτά. Ταυτόχρονα, μειώνουν τις εκπομπές CO2, οι οποίες χρησιμοποιούνται ως πρώτη ύλη για την παραγωγή ενέργειας και χημικών. Ως εκ τούτου, η τεχνητή φωτοσύνθεση είναι γνωστή ως μία από τις πιο προηγμένες πράσινες τεχνολογίες.
Τα MOF (μεταλλο-οργανικά πλαίσια) είναι υπερπορώδη υλικά που αποτελούνται από συστάδες ανόργανων μετάλλων και οργανικών συνδετών. Μπορούν να ελεγχθούν σε μοριακό επίπεδο στην νανοκλίμακα με μεγάλη επιφάνεια. Λόγω αυτών των ιδιοτήτων, τα MOF μπορούν να εφαρμοστούν στην αποθήκευση αερίων, στον διαχωρισμό, στην προσρόφηση μετάλλων, στην κατάλυση, στην χορήγηση φαρμάκων, στην επεξεργασία νερού, σε αισθητήρες, ηλεκτρόδια, φίλτρα κ.λπ. Πρόσφατα διαπιστώθηκε ότι τα MOF έχουν την ικανότητα να δεσμεύουν CO2, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή οργανικών ουσιών μέσω φωτοαναγωγής CO2, γνωστής και ως τεχνητής φωτοσύνθεσης.
Οι κβαντικές κουκκίδες, από την άλλη πλευρά, είναι εξαιρετικά μικροσκοπικά υλικά (0,5–9 νανόμετρα) με οπτικές ιδιότητες που υπακούουν στους κανόνες της κβαντικής χημείας και της κβαντομηχανικής. Ονομάζονται «τεχνητά άτομα ή τεχνητά μόρια» επειδή κάθε κβαντική κουκκίδα αποτελείται από μόνο λίγα έως χιλιάδες άτομα ή μόρια. Σε αυτό το εύρος μεγέθους, τα επίπεδα ενέργειας των ηλεκτρονίων δεν είναι πλέον συνεχή και διαχωρίζονται λόγω ενός φυσικού φαινομένου γνωστού ως φαινόμενο κβαντικού περιορισμού. Σε αυτήν την περίπτωση, το μήκος κύματος του εκπεμπόμενου φωτός θα εξαρτηθεί από το μέγεθος της κβαντικής κουκκίδας. Αυτές οι κβαντικές κουκκίδες μπορούν επίσης να εφαρμοστούν στην τεχνητή φωτοσύνθεση λόγω της υψηλής ικανότητας απορρόφησης φωτός, της ικανότητάς τους να παράγουν πολλαπλά εξιτόνια και της μεγάλης επιφάνειας.
Τόσο τα MOF όσο και οι κβαντικές κουκκίδες έχουν συντεθεί από την Green Science Alliance. Προηγουμένως, έχουν χρησιμοποιήσει με επιτυχία σύνθετα υλικά MOF-κβαντικών κουκκίδων για την παραγωγή μυρμηκικού οξέος ως ειδικού καταλύτη για τεχνητή φωτοσύνθεση. Ωστόσο, αυτοί οι καταλύτες είναι σε μορφή σκόνης και αυτές οι σκόνες καταλύτη πρέπει να συλλέγονται με διήθηση σε κάθε διαδικασία. Επομένως, είναι δύσκολο να εφαρμοστεί σε πραγματική βιομηχανική χρήση, επειδή αυτές οι διαδικασίες δεν είναι συνεχείς.
Σε απάντηση, οι κ. Kajino Tetsuro, Iwabayashi Hirohisa και Dr. Mori Ryohei της Green Science Alliance Co., Ltd. χρησιμοποίησαν την τεχνολογία τους για να ακινητοποιήσουν αυτούς τους ειδικούς τεχνητούς καταλύτες φωτοσύνθεσης σε ένα φθηνό υφασμάτινο ύφασμα και άνοιξαν μια νέα μονάδα μυρμηκικού οξέος. Η διαδικασία μπορεί να εκτελείται συνεχώς για πρακτικές βιομηχανικές εφαρμογές. Μετά την ολοκλήρωση της αντίδρασης τεχνητής φωτοσύνθεσης, το νερό που περιέχει μυρμηκικό οξύ μπορεί να αφαιρεθεί και να εξαχθεί και στη συνέχεια μπορεί να προστεθεί νέο φρέσκο ​​νερό στο δοχείο για να συνεχιστεί η επανέναρξη της τεχνητής φωτοσύνθεσης.
Το μυρμηκικό οξύ μπορεί να αντικαταστήσει το καύσιμο υδρογόνου. Ένας από τους κύριους λόγους που εμποδίζουν την παγκόσμια υιοθέτηση μιας κοινωνίας που βασίζεται στο υδρογόνο είναι ότι το υδρογόνο, το μικρότερο άτομο στο σύμπαν, είναι δύσκολο να αποθηκευτεί και θα ήταν πολύ ακριβό να κατασκευαστεί μια καλά σφραγισμένη δεξαμενή υδρογόνου. Επιπλέον, το αέριο υδρογόνο μπορεί να είναι εκρηκτικό και να αποτελεί κίνδυνο για την ασφάλεια. Είναι πολύ πιο εύκολο να αποθηκεύονται μυρμηκικά οξέα ως καύσιμο επειδή είναι υγρά. Εάν είναι απαραίτητο, το μυρμηκικό οξύ μπορεί να καταλύσει την αντίδραση για την παραγωγή υδρογόνου in situ. Επιπλέον, το μυρμηκικό οξύ μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πρώτη ύλη για διάφορες χημικές ουσίες.
Ακόμα κι αν η αποτελεσματικότητα της τεχνητής φωτοσύνθεσης είναι επί του παρόντος πολύ χαμηλή, η Συμμαχία Πράσινης Επιστήμης θα συνεχίσει να αγωνίζεται για την αύξηση της αποδοτικότητας και την εισαγωγή πραγματικά εφαρμοσμένης τεχνητής φωτοσύνθεσης.