КАВАНІШ, Японія, 15 листопада 2022 р. /PRNewswire/ — Екологічні проблеми, такі як зміна клімату, виснаження ресурсів, вимирання видів, забруднення пластиком та вирубка лісів, спричинені стрімким зростанням населення світу, стають дедалі актуальнішими.
Вуглекислий газ (CO2) – це парниковий газ і одна з основних причин зміни клімату. У зв'язку з цим процес, який називається «штучний фотосинтез (фотовідновлення вуглекислого газу)», може виробляти органічну сировину для палива та хімічних речовин з вуглекислого газу, води та сонячної енергії, як це роблять рослини. Водночас вони зменшують викиди CO2, який використовується як сировина для виробництва енергії та хімічних речовин. Тому штучний фотосинтез відомий як одна з найсучасніших зелених технологій.
МОК (металоорганічні каркаси) – це надпористі матеріали, що складаються з кластерів неорганічних металів та органічних лінкерів. Ними можна керувати на молекулярному рівні в нанодіапазоні з великою площею поверхні. Завдяки цим властивостям МОК можуть застосовуватися для зберігання газів, розділення, адсорбції металів, каталізу, доставки ліків, очищення води, сенсорів, електродів, фільтрів тощо. Нещодавно було виявлено, що МОК мають здатність захоплювати CO2, який можна використовувати для виробництва органічних речовин шляхом фотовідновлення CO2, також відомого як штучний фотосинтез.
Квантові точки, з іншого боку, – це надкрихітні матеріали (0,5–9 нанометрів) з оптичними властивостями, що підпорядковуються правилам квантової хімії та квантової механіки. Їх називають «штучними атомами або штучними молекулами», оскільки кожна квантова точка складається лише з кількох тисяч атомів або молекул. У цьому діапазоні розмірів енергетичні рівні електронів більше не є безперервними та розділяються через фізичне явище, відоме як ефект квантового обмеження. У цьому випадку довжина хвилі випромінюваного світла залежатиме від розміру квантової точки. Ці квантові точки також можуть бути застосовані у штучному фотосинтезі завдяки їхній високій здатності до поглинання світла, здатності генерувати множинні екситони та великій площі поверхні.
Як MOF, так і квантові точки були синтезовані Альянсом зеленої науки. Раніше вони успішно використовували композити MOF-квантові точки для отримання мурашиної кислоти як спеціального каталізатора штучного фотосинтезу. Однак ці каталізатори мають порошкоподібну форму, і ці порошки каталізаторів необхідно збирати фільтрацією в кожному процесі. Тому їх важко застосувати в реальному промисловому середовищі, оскільки ці процеси не є безперервними.
У відповідь пан Кадзіно Тецуро, пан Івабаясі Хірохіса та доктор Морі Рьохей з компанії Green Science Alliance Co., Ltd. використали свою технологію для іммобілізації цих спеціальних штучних каталізаторів фотосинтезу на недорогій текстильній тканині та відкрили новий завод з виробництва мурашиної кислоти. Процес може виконуватися безперервно для практичного промислового застосування. Після завершення реакції штучного фотосинтезу воду, що містить мурашину кислоту, можна витягти та екстрагувати, а потім у контейнер можна додати нову свіжу воду, щоб продовжити відновлення штучного фотосинтезу.
Мурашина кислота може замінити водневе паливо. Однією з головних причин, що стримують світове впровадження водневого суспільства, є те, що водень, найменший атом у Всесвіті, важко зберігати, і було б дуже дорого побудувати добре герметичний резервуар водню. Крім того, газоподібний водень може бути вибухонебезпечним і становити загрозу безпеці. Зберігати мурашину кислоту як паливо набагато легше, оскільки вона є рідкою. За необхідності мурашина кислота може каталізувати реакцію для отримання водню in situ. Крім того, мурашину кислоту можна використовувати як сировину для різних хімічних речовин.
Навіть якщо ефективність штучного фотосинтезу наразі все ще дуже низька, Альянс зеленої науки продовжуватиме боротьбу за підвищення ефективності та впровадження справді прикладного штучного фотосинтезу.