Каваниши, Япония, 15 ноември 2022 г. /PRNewswire/ — Екологични проблеми като изменението на климата, изчерпването на природните ресурси, изчезването на видове, замърсяването с пластмаса и обезлесяването се изострят по целия свят поради демографската експлозия.
Въглеродният диоксид (CO2) е парников газ и една от основните причини за изменението на климата. В тази връзка, процес, известен като „изкуствена фотосинтеза (фоторедукция на CO2)“, може да произвежда органични суровини за горива и химикали от CO2, вода и слънчева енергия, точно както правят растенията. В същото време те също така намаляват емисиите на CO2, тъй като CO2 се използва като суровина за производството на енергия и химически ресурси. Следователно, изкуствената фотосинтеза се счита за една от най-новите зелени технологии.
MOF (метални органични рамки) са ултрапорести материали, съставени от клъстери от неорганични метали и органични линкери. Те могат да бъдат контролирани на молекулярно ниво в нанометровия диапазон и имат голяма повърхност. Благодарение на тези свойства, MOF могат да се прилагат в съхранение на газове, разделяне, адсорбция на метали, катализа, доставяне на лекарства, пречистване на вода, сензори, електроди, филтри и др. Наскоро беше установено, че MOF имат способност за улавяне на CO2, която може да бъде фоторедуцирана, т.е. изкуствена фотосинтеза.
Квантовите точки, от друга страна, са ултратънки материали (0,5–9 nm), чиито оптични свойства отговарят на правилата на квантовата химия и квантовата механика. Те се наричат ​​„изкуствени атоми или изкуствени молекули“, защото всяка квантова точка се състои само от няколко или няколко хиляди атома или молекули. В този диапазон от размери енергийните нива на електроните вече не са непрекъснати и се разделят поради физическо явление, известно като ефект на квантово ограничение. В този случай дължината на вълната на излъчената светлина ще зависи от размера на квантовите точки. Тези квантови точки могат да се прилагат и в изкуствената фотосинтеза поради високия им капацитет за поглъщане на светлина, способността им да генерират множество екситони и голямата повърхност.
Както MOF, така и квантови точки са синтезирани в рамките на Green Science Alliance. Преди това те успешно са използвали композитни материали с квантови точки MOF за производство на мравчена киселина като специален катализатор за изкуствена фотосинтеза. Тези катализатори обаче са под формата на прах и тези катализаторни прахове трябва да се събират чрез филтрация във всеки процес. Следователно, тъй като тези процеси не са непрекъснати, те са трудни за практическо промишлено приложение.
В отговор, г-н Тецуро Каджино, г-н Хирохиса Ивабаяши и д-р Рьохей Мори от Green Science Alliance Co., Ltd. използваха своята технология, за да обездвижат тези специални изкуствени катализатори за фотосинтеза върху евтини текстилни листове и разработиха нов процес за производство на мравчена киселина, който може да работи непрекъснато в практически промишлени приложения. След завършване на реакцията на изкуствена фотосинтеза, водата, съдържаща мравчена киселина, може да бъде извлечена за екстракция и нова прясна вода може да бъде добавена обратно в контейнера, за да се възобнови непрекъснато изкуствената фотосинтеза.
Мравчената киселина може да замести водородното гориво. Една от основните причини, които възпрепятстват разпространението на водородно общество по света, е, че водородът е най-малкият атом във Вселената, така че е трудно да се съхранява, а производството на резервоар за водород с висок херметически ефект ще бъде много скъпо. Освен това, водородният газ може да бъде експлозивен и да представлява опасност за безопасността. Тъй като мравчената киселина е течност, тя е по-лесна за съхранение като гориво. Ако е необходимо, мравчената киселина може да се използва за катализиране на производството на водород in situ. Освен това, мравчената киселина може да се използва като суровина за различни химикали.
Въпреки че ефективността на изкуствената фотосинтеза е все още ниска, Алиансът за зелена наука ще продължи да се бори за подобрения в ефективността, за да установи практически приложения за изкуствена фотосинтеза.