KAWANISH, Japán, 2022. november 15. /PRNewswire/ — A világ népességének növekedése által okozott környezeti problémák, mint például az éghajlatváltozás, az erőforrások kimerülése, a fajok kihalása, a műanyagszennyezés és az erdőirtás, egyre sürgetőbbek.
A szén-dioxid (CO2) üvegházhatású gáz, és az éghajlatváltozás egyik fő oka. E tekintetben a „mesterséges fotoszintézis (szén-dioxid fotoredukciója)” nevű folyamat szerves alapanyagokat képes előállítani üzemanyagok és vegyi anyagok számára szén-dioxidból, vízből és napenergiából, ahogyan a növények is teszik. Ugyanakkor csökkentik a CO2-kibocsátást, amelyet alapanyagként használnak energia- és vegyipari termeléshez. Ezért a mesterséges fotoszintézis az egyik legfejlettebb zöld technológiaként ismert.
A MOF-ok (fém-organikus vázak) szuperporózus anyagok, amelyek szervetlen fémek és szerves kapcsolók klasztereiből állnak. Molekuláris szinten, nanotartományban szabályozhatók, nagy felülettel rendelkeznek. Ezen tulajdonságoknak köszönhetően a MOF-ok alkalmazhatók gáztárolásban, elválasztásban, fémadszorpcióban, katalízisben, gyógyszeradagolásban, vízkezelésben, érzékelőkben, elektródákban, szűrőkben stb. A MOF-okról nemrégiben kiderült, hogy képesek CO2-t megkötni, amely felhasználható szerves anyagok előállítására CO2-fotoredukció, más néven mesterséges fotoszintézis révén.
A kvantumpöttyök ezzel szemben ultra-apró anyagok (0,5–9 nanométer), amelyek optikai tulajdonságai a kvantumkémia és a kvantummechanika szabályait követik. „Mesterséges atomoknak vagy mesterséges molekuláknak” nevezik őket, mivel minden kvantumpötty mindössze néhánytól több ezer atomig vagy molekuláig terjed. Ebben a mérettartományban az elektronok energiaszintjei már nem folytonosak, és a kvantumbezárási hatás néven ismert fizikai jelenség miatt elkülönülnek. Ebben az esetben a kibocsátott fény hullámhossza a kvantumpötty méretétől függ. Ezek a kvantumpöttyök mesterséges fotoszintézisben is alkalmazhatók nagy fényelnyelő képességük, többszörös exciton generálásának képességük és nagy felületük miatt.
A Green Science Alliance mind a MOF-okat, mind a kvantumpöttyöket szintetizálta. Korábban sikeresen használtak MOF-kvantumpont kompozitokat hangyasav előállítására, amely speciális katalizátor a mesterséges fotoszintézishez. Ezek a katalizátorok azonban por formájában vannak, és minden folyamatban szűréssel kell összegyűjteni őket. Ezért nehéz a valódi ipari felhasználásra alkalmazni, mivel ezek a folyamatok nem folyamatosak.
Válaszul Mr. Kajino Tetsuro, Mr. Iwabayashi Hirohisa és Dr. Mori Ryohei, a Green Science Alliance Co., Ltd. munkatársai a technológiájukat felhasználva egy olcsó textilanyagon rögzítették ezeket a speciális mesterséges fotoszintézis-katalizátorokat, és egy új hangyasavgyárat nyitottak. A folyamat folyamatosan működtethető a gyakorlati ipari alkalmazásokhoz. A mesterséges fotoszintézis-reakció befejeződése után a hangyasavat tartalmazó víz kivehető és eltávolítható, majd új, friss víz adható a tartályhoz a mesterséges fotoszintézis folytatásához.
A hangyasav helyettesítheti a hidrogén üzemanyagot. A hidrogénalapú társadalom világszerte történő elterjedésének egyik fő akadálya, hogy a hidrogént, az univerzum legkisebb atomját, nehéz tárolni, és nagyon költséges lenne egy jól lezárt hidrogéntartályt építeni. Ezenkívül a hidrogéngáz robbanásveszélyes lehet, és biztonsági kockázatot jelenthet. Sokkal könnyebb a hangyasavat üzemanyagként tárolni, mivel folyékony halmazállapotú. Szükség esetén a hangyasav katalizálhatja a reakciót, és in situ hidrogént állíthat elő. Ezenkívül a hangyasav különféle vegyi anyagok alapanyagaként is felhasználható.
Még ha a mesterséges fotoszintézis hatékonysága jelenleg még nagyon alacsony is, a Zöld Tudományos Szövetség továbbra is küzdeni fog a hatékonyság növeléséért és a valóban alkalmazott mesterséges fotoszintézis bevezetéséért.