Kawaniši, Japonsko, 15. listopadu 2022 /PRNewswire/ — Environmentální problémy, jako je změna klimatu, vyčerpávání přírodních zdrojů, vymírání druhů, znečištění plasty a odlesňování, se po celém světě zhoršují v důsledku populační exploze.
Oxid uhličitý (CO2) je skleníkový plyn a jedna z hlavních příčin klimatických změn. V tomto ohledu může proces známý jako „umělá fotosyntéza (fotoredukce CO2)“ produkovat organické suroviny pro paliva a chemikálie z CO2, vody a sluneční energie, stejně jako to dělají rostliny. Zároveň také snižují emise CO2, protože CO2 se používá jako surovina pro výrobu energie a chemických zdrojů. Umělá fotosyntéza je proto považována za jednu z nejnovějších zelených technologií.
MOF (Metal Organic Frameworks) jsou ultraporézní materiály složené z klastrů anorganických kovů a organických linkerů. Lze je regulovat na molekulární úrovni v nanometrovém rozsahu a mají velký povrch. Díky těmto vlastnostem lze MOF použít při skladování plynů, separaci, adsorpci kovů, katalýze, dodávání léčiv, úpravě vody, senzorech, elektrodách, filtrech atd. Nedávno bylo zjištěno, že MOF mají schopnost zachycovat CO2 fotoredukovaným CO2, tj. umělou fotosyntézu.
Kvantové tečky jsou naopak ultratenké materiály (0,5–9 nm), jejichž optické vlastnosti odpovídají pravidlům kvantové chemie a kvantové mechaniky. Nazývají se „umělými atomy nebo umělými molekulami“, protože každá kvantová tečka se skládá pouze z několika nebo několika tisíc atomů či molekul. V tomto rozsahu velikostí již energetické hladiny elektronů nejsou spojité a oddělují se v důsledku fyzikálního jevu známého jako efekt kvantového omezení. V tomto případě bude vlnová délka emitovaného světla záviset na velikosti kvantových teček. Tyto kvantové tečky lze také použít v umělé fotosyntéze díky jejich vysoké absorpční kapacitě světla, schopnosti generovat více excitonů a velkému povrchu.
Jak MOF, tak kvantové tečky byly syntetizovány v rámci organizace Green Science Alliance. Dříve úspěšně použili kompozitní materiály MOF s kvantovými tečkami k výrobě kyseliny mravenčí jako speciálního katalyzátoru pro umělou fotosyntézu. Tyto katalyzátory jsou však ve formě prášku a tyto prášky katalyzátoru musí být v každém procesu shromažďovány filtrací. Protože tyto procesy nejsou kontinuální, je obtížné je aplikovat pro praktické průmyslové využití.
V reakci na to pan Tetsuro Kajino, pan Hirohisa Iwabayashi a Dr. Ryohei Mori ze společnosti Green Science Alliance Co., Ltd. využili svou technologii k imobilizaci těchto speciálních umělých katalyzátorů fotosyntézy na levných textilních fóliích a vyvinuli nový proces pro výrobu kyseliny mravenčí, který může fungovat nepřetržitě v praktických průmyslových aplikacích. Po dokončení reakce umělé fotosyntézy lze vodu obsahující kyselinu mravenčí odebrat k extrakci a do nádoby lze přidat novou čerstvou vodu, aby se umělá fotosyntéza nepřetržitě obnovila.
Kyselina mravenčí může nahradit vodíkové palivo. Jedním z hlavních důvodů, které brání šíření vodíkové společnosti po celém světě, je to, že vodík je nejmenší atom ve vesmíru, takže je obtížné ho skladovat a výroba vodíkové nádrže s vysokým těsnicím účinkem bude velmi drahá. Kromě toho může být plynný vodík výbušný a představovat bezpečnostní riziko. Protože kyselina mravenčí je kapalná, je snazší ji skladovat jako palivo. V případě potřeby lze kyselinu mravenčí použít ke katalýze výroby vodíku in situ. Kyselinu mravenčí lze navíc použít jako surovinu pro různé chemikálie.
Přestože je účinnost umělé fotosyntézy stále nízká, bude Aliance pro zelenou vědu i nadále bojovat za zlepšení účinnosti s cílem zavést praktické aplikace pro umělou fotosyntézu.