KAWANISH, Japonsko, 15. novembra 2022 /PRNewswire/ — Environmentálne problémy, ako sú klimatické zmeny, vyčerpávanie zdrojov, vymieranie druhov, znečistenie plastmi a odlesňovanie spôsobené prudkým nárastom svetovej populácie, sú čoraz naliehavejšie.
Oxid uhličitý (CO2) je skleníkový plyn a jedna z hlavných príčin klimatických zmien. V tomto ohľade proces nazývaný „umelá fotosyntéza (fotoredukcia oxidu uhličitého)“ dokáže produkovať organické suroviny na palivo a chemikálie z oxidu uhličitého, vody a slnečnej energie, rovnako ako to robia rastliny. Zároveň znižujú emisie CO2, ktoré sa používajú ako surovina na výrobu energie a chemikálií. Preto je umelá fotosyntéza známa ako jedna z najpokročilejších zelených technológií.
MOF (metal-organické štruktúry) sú superporézne materiály zložené zo zhlukov anorganických kovov a organických linkerov. Dajú sa regulovať na molekulárnej úrovni v nanorozsahu s veľkým povrchom. Vďaka týmto vlastnostiam sa MOF môžu používať pri skladovaní plynov, separácii, adsorpcii kovov, katalýze, dodávaní liečiv, úprave vody, senzoroch, elektródach, filtroch atď. Nedávno sa zistilo, že MOF majú schopnosť zachytávať CO2, ktorý sa môže použiť na výrobu organických látok prostredníctvom fotoredukcie CO2, známej aj ako umelá fotosyntéza.
Kvantové bodky sú na druhej strane ultratenké materiály (0,5 – 9 nanometrov) s optickými vlastnosťami, ktoré sa riadia pravidlami kvantovej chémie a kvantovej mechaniky. Nazývajú sa „umelé atómy alebo umelé molekuly“, pretože každá kvantová bodka pozostáva len z niekoľkých až tisícok atómov alebo molekúl. V tomto rozsahu veľkostí už energetické hladiny elektrónov nie sú spojité a oddeľujú sa v dôsledku fyzikálneho javu známeho ako efekt kvantového obmedzenia. V tomto prípade bude vlnová dĺžka emitovaného svetla závisieť od veľkosti kvantovej bodky. Tieto kvantové bodky sa dajú použiť aj v umelej fotosyntéze vďaka ich vysokej schopnosti absorpcie svetla, schopnosti generovať viacnásobné excitóny a veľkému povrchu.
Organizácia Green Science Alliance syntetizovala MOF aj kvantové bodky. Predtým úspešne použila kompozity MOF-kvantové bodky na výrobu kyseliny mravčej ako špeciálneho katalyzátora pre umelú fotosyntézu. Tieto katalyzátory sú však vo forme prášku a tieto katalytické prášky sa musia v každom procese zbierať filtráciou. Preto je ťažké ich aplikovať v reálnom priemyselnom prostredí, pretože tieto procesy nie sú kontinuálne.
V reakcii na to páni Kajino Tetsuro, Iwabayashi Hirohisa a Dr. Mori Ryohei zo spoločnosti Green Science Alliance Co., Ltd. využili svoju technológiu na imobilizáciu týchto špeciálnych umelých katalyzátorov fotosyntézy na lacnej textílii a otvorili nový závod na výrobu kyseliny mravčej. Proces je možné prevádzkovať nepretržite pre praktické priemyselné aplikácie. Po ukončení umelej fotosyntézy je možné vodu obsahujúcu kyselinu mravčiu odobrať a extrahovať a potom je možné do nádoby pridať novú čerstvú vodu, aby sa pokračovalo v obnovení umelej fotosyntézy.
Kyselina mravčia môže nahradiť vodíkové palivo. Jedným z hlavných dôvodov, ktoré brzdia celosvetové prijatie spoločnosti založenej na vodíku, je to, že vodík, najmenší atóm vo vesmíre, sa ťažko skladuje a vybudovanie dobre utesneného zásobníka vodíka by bolo veľmi nákladné. Okrem toho môže byť plynný vodík výbušný a predstavovať bezpečnostné riziko. Kyselinu mravčiu ako palivo je oveľa jednoduchšie skladovať, pretože je kvapalná. V prípade potreby môže kyselina mravčia katalyzovať reakciu na výrobu vodíka in situ. Okrem toho sa kyselina mravčia môže použiť ako surovina pre rôzne chemikálie.
Aj keď je účinnosť umelej fotosyntézy v súčasnosti stále veľmi nízka, Aliancia pre zelenú vedu bude naďalej bojovať za zvýšenie účinnosti a zavedenie skutočne aplikovanej umelej fotosyntézy.