Kawanishi, Japán, 2022. november 15. /PRNewswire/ — A népességrobbanás miatt világszerte súlyosbodnak a környezeti problémák, mint például a klímaváltozás, a természeti erőforrások kimerülése, a fajok kihalása, a műanyagszennyezés és az erdőirtás.
A szén-dioxid (CO2) üvegházhatású gáz, és az éghajlatváltozás egyik fő oka. Ebben a tekintetben a „mesterséges fotoszintézis (CO2-fotoredukció)” néven ismert folyamat szerves alapanyagokat képes előállítani üzemanyagokhoz és vegyi anyagokhoz CO2-ból, vízből és napenergiából, akárcsak a növények. Ugyanakkor csökkentik a CO2-kibocsátást is, mivel a CO2-t alapanyagként használják energia- és vegyi erőforrások előállításához. Ezért a mesterséges fotoszintézist a legújabb zöld technológiák egyikének tekintik.
A MOF-ok (fémorganikus vázak) ultraporózus anyagok, amelyek szervetlen fémek és szerves kapcsolóelemek klasztereiből állnak. Molekuláris szinten, nanométeres tartományban szabályozhatók, és nagy felülettel rendelkeznek. Ezen tulajdonságoknak köszönhetően a MOF-ok alkalmazhatók gáztárolásban, elválasztásban, fémadszorpcióban, katalízisben, gyógyszeradagolásban, vízkezelésben, érzékelőkben, elektródákban, szűrőkben stb. Az utóbbi időben kiderült, hogy a MOF-ok CO2-megkötő képességgel rendelkeznek, amely fotoredukált CO2-vé, azaz mesterséges fotoszintézissé alakítható.
A kvantumpöttyök ezzel szemben ultravékony anyagok (0,5–9 nm), amelyek optikai tulajdonságai megfelelnek a kvantumkémia és a kvantummechanika szabályainak. „Mesterséges atomoknak vagy mesterséges molekuláknak” nevezik őket, mivel minden kvantumpötty csak néhány vagy néhány ezer atomból vagy molekulából áll. 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 kvantumpöttyök méretétől függ. Ezek a kvantumpöttyök mesterséges fotoszintézisben is alkalmazhatók nagy fényelnyelő képességük, többszörös exciton generálásának képességük és nagy felületük miatt.
Mind a MOF-okat, mind a kvantumpöttyöket szintetizálták a Green Science Alliance keretében. Korábban sikeresen használtak MOF kvantumpötty kompozit anyagokat hangyasav előállítására, amely speciális katalizátor a mesterséges fotoszintézishez. Ezek a katalizátorok azonban por formájában vannak, és a katalizátorporokat minden folyamatban szűréssel kell összegyűjteni. Ezért, mivel ezek a folyamatok nem folyamatosak, nehéz őket gyakorlati ipari felhasználásra alkalmazni.
Válaszul Tetsuro Kajino úr, Hirohisa Iwabayashi úr és Dr. Ryohei Mori, a Green Science Alliance Co., Ltd. munkatársai saját technológiájukat felhasználva olcsó textillapokra rögzítették ezeket a speciális mesterséges fotoszintézis-katalizátorokat, és egy új eljárást fejlesztettek ki a hangyasav előállítására, amely a gyakorlati ipari alkalmazásokban folyamatosan működhet. A mesterséges fotoszintézis-reakció befejeződése után a hangyasavat tartalmazó víz kivehető extrakcióra, és új, friss víz adható vissza a tartályba a mesterséges fotoszintézis folyamatos folytatásához.
A hangyasav helyettesítheti a hidrogén üzemanyagot. A hidrogéntársadalom világméretű elterjedésének egyik fő akadálya, hogy a hidrogén a legkisebb atom az univerzumban, ezért nehéz tárolni, és egy nagy tömítőhatással rendelkező hidrogéntartály előállítása nagyon költséges lesz. Ezenkívül a hidrogéngáz robbanásveszélyes lehet, és biztonsági kockázatot jelenthet. Mivel a hangyasav folyékony, könnyebb üzemanyagként tárolni. Szükség esetén a hangyasav felhasználható a hidrogén in situ előállításának katalizálására. Ezenkívül a hangyasav különféle vegyi anyagok alapanyagaként is felhasználható.
Bár a mesterséges fotoszintézis hatékonysága még mindig alacsony, a Zöld Tudományos Szövetség (Green Science Alliance) továbbra is küzdeni fog a hatékonyságnövelésért, hogy gyakorlati alkalmazásokat hozzon létre a mesterséges fotoszintézis számára.