Καουίνισι, Ιαπωνία, 15 Νοεμβρίου 2022 /PRNewswire/ — Περιβαλλοντικά ζητήματα όπως η κλιματική αλλαγή, η εξάντληση των φυσικών πόρων, η εξαφάνιση ειδών, η ρύπανση από πλαστικά και η αποψίλωση των δασών επιδεινώνονται σε όλο τον κόσμο λόγω της πληθυσμιακής έκρηξης.
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 γνωστή ως «τεχνητή φωτοσύνθεση (φωτοαναγωγή CO2)» μπορεί να παράγει οργανική πρώτη ύλη για καύσιμα και χημικά από CO2, νερό και ηλιακή ενέργεια, όπως ακριβώς κάνουν τα φυτά. Ταυτόχρονα, μειώνουν επίσης τις εκπομπές CO2, καθώς το CO2 χρησιμοποιείται ως πρώτη ύλη για την παραγωγή ενέργειας και χημικών πόρων. Ως εκ τούτου, η τεχνητή φωτοσύνθεση θεωρείται μία από τις νεότερες πράσινες τεχνολογίες.
Τα MOF (Μεταλλικά Οργανικά Πλαίσια) είναι υπερπορώδη υλικά που αποτελούνται από συστάδες ανόργανων μετάλλων και οργανικών συνδετών. Μπορούν να ελεγχθούν σε μοριακό επίπεδο στην περιοχή των νανομέτρων και έχουν 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, έχει βρεθεί ότι τα MOF έχουν ικανότητα δέσμευσης CO2 που μπορεί να φωτοαναχθεί CO2, δηλαδή στην τεχνητή φωτοσύνθεση.
Οι κβαντικές κουκκίδες, από την άλλη πλευρά, είναι εξαιρετικά λεπτά υλικά (0,5–9 nm) των οποίων οι οπτικές ιδιότητες συμμορφώνονται με τους κανόνες της κβαντικής χημείας και της κβαντομηχανικής. Ονομάζονται «τεχνητά άτομα ή τεχνητά μόρια» επειδή κάθε κβαντική κουκκίδα αποτελείται μόνο από λίγα ή μερικές 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 των κβαντικών κουκκίδων. 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 στο πλαίσιο της Συμμαχίας Πράσινης Επιστήμης. Προηγουμένως, έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία σύνθετα υλικά κβαντικών κουκκίδων MOF 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, επειδή αυτές οι διαδικασίες δεν είναι συνεχείς, είναι δύσκολο να εφαρμοστούν για πρακτική βιομηχανική χρήση.
Σε απάντηση, οι κ.κ. Tetsuro Kajino, Hirohisa Iwabayashi και Dr. Ryohei Mori της Green Science Alliance Co., Ltd. χρησιμοποίησαν την τεχνολογία τους για να ακινητοποιήσουν αυτούς τους ειδικούς τεχνητούς καταλύτες φωτοσύνθεσης σε φθηνά υφασμάτινα φύλλα και ανέπτυξαν μια νέα διαδικασία για την παραγωγή μυρμηκικού οξέος, η οποία μπορεί να λειτουργεί συνεχώς σε πρακτικές βιομηχανικές εφαρμογές. Μετά την ολοκλήρωση της αντίδρασης τεχνητής φωτοσύνθεσης, το νερό που περιέχει μυρμηκικό οξύ μπορεί να αφαιρεθεί για εκχύλιση και μπορεί να προστεθεί νέο φρέσκο ​​νερό πίσω στο δοχείο για να συνεχιστεί συνεχώς η τεχνητή φωτοσύνθεση.
Το μυρμηκικό οξύ μπορεί να αντικαταστήσει το καύσιμο υδρογόνου. Ένας από τους κύριους λόγους που εμποδίζουν την εξάπλωση μιας κοινωνίας υδρογόνου σε όλο τον κόσμο είναι ότι το υδρογόνο είναι το μικρότερο άτομο στο σύμπαν, επομένως είναι δύσκολο να αποθηκευτεί και η παραγωγή μιας δεξαμενής υδρογόνου με υψηλό αποτέλεσμα στεγανοποίησης θα είναι πολύ ακριβή. Επιπλέον, το αέριο υδρογόνο μπορεί να είναι εκρηκτικό και να αποτελεί κίνδυνο για την ασφάλεια. Δεδομένου ότι το μυρμηκικό οξύ είναι υγρό, είναι ευκολότερο να αποθηκευτεί ως καύσιμο. Εάν είναι απαραίτητο, το μυρμηκικό οξύ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να καταλύσει την παραγωγή υδρογόνου in situ. Επιπλέον, το μυρμηκικό οξύ μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πρώτη ύλη για διάφορες χημικές ουσίες.
Παρόλο που η αποτελεσματικότητα της τεχνητής φωτοσύνθεσης εξακολουθεί να είναι χαμηλή, η Συμμαχία Πράσινης Επιστήμης θα συνεχίσει να αγωνίζεται για βελτιώσεις στην αποδοτικότητα, ώστε να καθιερωθούν πρακτικές εφαρμογές για την τεχνητή φωτοσύνθεση.