Каванісі, Японія, 15 листопада 2022 р. /PRNewswire/ — Екологічні проблеми, такі як зміна клімату, виснаження природних ресурсів, вимирання видів, забруднення пластиком та вирубка лісів, загострюються у всьому світі через демографічний вибух.
Вуглекислий газ (CO2) – це парниковий газ і одна з основних причин зміни клімату. У зв'язку з цим процес, відомий як «штучний фотосинтез (фотовідновлення CO2)», може виробляти органічну сировину для палива та хімічних речовин з CO2, води та сонячної енергії, так само, як це роблять рослини. Водночас вони також зменшують викиди CO2, оскільки CO2 використовується як сировина для виробництва енергії та хімічних ресурсів. Тому штучний фотосинтез вважається однією з новітніх зелених технологій.
МОК (металеві органічні каркаси) – це ультрапористі матеріали, що складаються з кластерів неорганічних металів та органічних лінкерів. Ними можна керувати на молекулярному рівні в нанометровому діапазоні, і вони мають велику площу 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, що дозволяє фотовідновлювати CO2, тобто штучно проводити фотосинтез.
Квантові точки, з іншого боку, – це надтонкі матеріали (0,5–9 нм), оптичні властивості яких відповідають правилам квантової хімії та квантової механіки. Їх називають «штучними атомами або штучними молекулами», оскільки кожна квантова точка складається лише з кількох або кількох тисяч атомів чи 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 квантових точок. 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 в рамках Альянсу зеленої науки. Раніше вони успішно використовували композитні матеріали на основі квантових точок MOF 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, оскільки ці процеси не є безперервними, їх важко застосовувати для практичного промислового використання.
У відповідь пан Тецуро Кадзіно, пан Хірохіса Івабаясі та доктор Рьохей Морі з Green Science Alliance Co., Ltd. використали свою технологію для іммобілізації цих спеціальних штучних каталізаторів фотосинтезу на недорогих текстильних полотнах та розробили новий процес виробництва мурашиної кислоти, який може працювати безперервно в практичних промислових застосуваннях. Після завершення реакції штучного фотосинтезу воду, що містить мурашину кислоту, можна вилучити для екстракції, а нову свіжу воду можна додавати назад у контейнер для безперервного відновлення штучного фотосинтезу.
Мурашина кислота може замінити водневе паливо. Однією з головних причин, що перешкоджають поширенню водневого суспільства по всьому світу, є те, що водень є найменшим атомом у Всесвіті, тому його важко зберігати, а виробництво резервуара для водню з високим герметичним ефектом буде дуже дорогим. Крім того, газоподібний водень може бути вибухонебезпечним і становити загрозу безпеці. Оскільки мурашина кислота є рідиною, її легше зберігати як паливо. За необхідності мурашину кислоту можна використовувати для каталізу виробництва водню in situ. Крім того, мурашину кислоту можна використовувати як сировину для різних хімічних речовин.
Хоча ефективність штучного фотосинтезу все ще низька, Альянс зеленої науки продовжуватиме боротьбу за підвищення ефективності з метою встановлення практичних застосувань штучного фотосинтезу.