Kawanishi, Japan, 15. studenog 2022. /PRNewswire/ — Ekološki problemi poput klimatskih promjena, iscrpljivanja prirodnih resursa, izumiranja vrsta, onečišćenja plastikom i krčenja šuma pogoršavaju se diljem svijeta zbog eksplozije stanovništva.
Ugljikov dioksid (CO2) je staklenički plin i jedan od glavnih uzroka klimatskih promjena. U tom smislu, proces poznat kao „umjetna fotosinteza (fotoredukcija CO2)“ može proizvesti organsku sirovinu za goriva i kemikalije iz CO2, vode i sunčeve energije, baš kao što to čine biljke. Istovremeno, smanjuju i emisije CO2, budući da se CO2 koristi kao sirovina za proizvodnju energije i kemijskih resursa. Stoga se umjetna fotosinteza smatra jednom od najnovijih zelenih tehnologija.
MOF-ovi (Metal Organic Frameworks) su ultraporozni materijali sastavljeni od klastera anorganskih metala i organskih povezivača. Mogu se kontrolirati na molekularnoj razini u nanometarskom rasponu i imaju veliku površinu. Zbog tih svojstava, MOF-ovi se mogu primjenjivati ​​u skladištenju plinova, odvajanju, adsorpciji metala, katalizi, isporuci lijekova, obradi vode, senzorima, elektrodama, filterima itd. Nedavno je otkriveno da MOF-ovi imaju sposobnost hvatanja CO2 koji se može fotoreducirati, odnosno umjetnoj fotosintezi.
Kvantne točke, s druge strane, ultratanki su materijali (0,5–9 nm) čija optička svojstva odgovaraju pravilima kvantne kemije i kvantne mehanike. Nazivaju se „umjetni atomi ili umjetne molekule“ jer se svaka kvantna točka sastoji od samo nekoliko ili nekoliko tisuća atoma ili molekula. U ovom rasponu veličina, energetske razine elektrona više nisu kontinuirane i postaju razdvojene zbog fizičkog fenomena poznatog kao efekt kvantnog ograničenja. U ovom slučaju, valna duljina emitirane svjetlosti ovisit će o veličini kvantnih točaka. Ove kvantne točke mogu se primijeniti i u umjetnoj fotosintezi zbog svog visokog kapaciteta apsorpcije svjetlosti, sposobnosti generiranja višestrukih ekscitona i velike površine.
I MOF-ovi i kvantne točke sintetizirani su u okviru organizacije Green Science Alliance. Prethodno su uspješno koristili kompozitne materijale s kvantnim točkama MOF-a za proizvodnju mravlje kiseline kao posebnog katalizatora za umjetnu fotosintezu. Međutim, ovi katalizatori su u obliku praha i ti se katalitički prahovi moraju skupljati filtracijom u svakom procesu. Stoga, budući da ovi procesi nisu kontinuirani, teško ih je primijeniti za praktičnu industrijsku upotrebu.
Kao odgovor na to, g. Tetsuro Kajino, g. Hirohisa Iwabayashi i dr. Ryohei Mori iz tvrtke Green Science Alliance Co., Ltd. koristili su svoju tehnologiju za imobilizaciju ovih posebnih umjetnih katalizatora fotosinteze na jeftinim tekstilnim listovima i razvili novi postupak za proizvodnju mravlje kiseline, koji može kontinuirano raditi u praktičnim industrijskim primjenama. Nakon završetka reakcije umjetne fotosinteze, voda koja sadrži mravlju kiselinu može se izvaditi za ekstrakciju, a nova svježa voda može se vratiti u spremnik kako bi se kontinuirano nastavila umjetna fotosinteza.
Mravlja kiselina može zamijeniti vodikovo gorivo. Jedan od glavnih razloga koji sprječava širenje vodikovog društva diljem svijeta jest taj što je vodik najmanji atom u svemiru, pa ga je teško skladištiti, a proizvodnja spremnika vodika s visokim učinkom brtvljenja bit će vrlo skupa. Osim toga, vodikov plin može biti eksplozivan i predstavljati sigurnosnu opasnost. Budući da je mravlja kiselina tekućina, lakše ju je skladištiti kao gorivo. Ako je potrebno, mravlja kiselina može se koristiti za kataliziranje proizvodnje vodika in situ. Osim toga, mravlja kiselina može se koristiti kao sirovina za razne kemikalije.
Iako je učinkovitost umjetne fotosinteze još uvijek niska, Savez za zelenu znanost nastavit će se boriti za poboljšanja učinkovitosti kako bi se uspostavile praktične primjene umjetne fotosinteze.