Kawanishi, Japonsko, 15. novembra 2022 /PRNewswire/ — Environmentálne problémy, ako sú klimatické zmeny, vyčerpávanie prírodných zdrojov, vymieranie druhov, znečistenie plastmi a odlesňovanie, sa zhoršujú na celom svete v dôsledku populačnej explózie.
Oxid uhličitý (CO2) je skleníkový plyn a jedna z hlavných príčin klimatických zmien. V tomto ohľade proces známy ako „umelá fotosyntéza (fotoredukcia CO2)“ dokáže produkovať organické suroviny pre palivá a chemikálie z CO2, vody a slnečnej energie, rovnako ako to robia rastliny. Zároveň sa tým znižujú aj emisie CO2, pretože CO2 sa používa ako surovina na výrobu energie a chemických zdrojov. Preto sa umelá fotosyntéza považuje za jednu z najnovších zelených technológií.
MOF (Metal Organic Frameworks) sú ultraporézne materiály zložené zo zhlukov anorganických kovov a organických linkerov. Dajú sa regulovať na molekulárnej úrovni v nanometrovom rozsahu a majú veľký povrch. 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 fotoredukovaným CO2, teda pri umelej fotosyntéze.
Kvantové bodky sú na druhej strane ultratenké materiály (0,5 – 9 nm), ktorých optické vlastnosti zodpovedajú pravidlám kvantovej chémie a kvantovej mechaniky. Nazývajú sa „umelé atómy alebo umelé molekuly“, pretože každá kvantová bodka pozostáva iba z niekoľkých alebo niekoľkých tisíc 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 kvantových bodiek. Tieto kvantové bodky sa dajú použiť aj v umelej fotosyntéze vďaka ich vysokej schopnosti absorpcie svetla, schopnosti generovať viacnásobné excitóny a veľkému povrchu.
MOF aj kvantové bodky boli syntetizované v rámci organizácie Green Science Alliance. Predtým úspešne použili kompozitné materiály MOF s kvantovými bodkami 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. Keďže tieto procesy nie sú kontinuálne, je ťažké ich aplikovať na praktické priemyselné využitie.
V reakcii na to pán Tetsuro Kajino, pán Hirohisa Iwabayashi a Dr. Ryohei Mori zo spoločnosti Green Science Alliance Co., Ltd. využili svoju technológiu na imobilizáciu týchto špeciálnych umelých katalyzátorov fotosyntézy na lacných textilných fóliách a vyvinuli nový proces výroby kyseliny mravčej, ktorý môže fungovať nepretržite v praktických priemyselných aplikáciách. Po ukončení umelej fotosyntézy je možné vodu obsahujúcu kyselinu mravčiu odobrať na extrakciu a do nádoby je možné pridať novú čerstvú vodu, aby sa umelá fotosyntéza nepretržite obnovila.
Kyselina mravčia môže nahradiť vodíkové palivo. Jedným z hlavných dôvodov, ktoré bránia šíreniu vodíkovej spoločnosti po celom svete, je to, že vodík je najmenší atóm vo vesmíre, takže je ťažké ho skladovať a výroba vodíkovej nádrže s vysokým tesniacim účinkom bude veľmi drahá. Okrem toho môže byť plynný vodík výbušný a predstavovať bezpečnostné riziko. Keďže kyselina mravčia je kvapalina, je ľahšie ju skladovať ako palivo. V prípade potreby sa kyselina mravčia môže použiť na katalýzu výroby vodíka in situ. Okrem toho sa kyselina mravčia môže použiť ako surovina pre rôzne chemikálie.
Hoci je účinnosť umelej fotosyntézy stále nízka, Aliancia pre zelenú vedu bude naďalej bojovať za zlepšenie účinnosti s cieľom vytvoriť praktické aplikácie pre umelú fotosyntézu.