KAWANISH, Japan, 15. november 2022 /PRNewswire/ — Miljøproblemer som klimaendringer, ressursuttømming, artsutryddelse, plastforurensning og avskoging forårsaket av verdens befolkningsøkning blir stadig mer presserende.
Karbondioksid (CO2) er en klimagass og en av hovedårsakene til klimaendringer. I denne forbindelse kan en prosess kalt «kunstig fotosyntese (fotoreduksjon av karbondioksid)» produsere organiske råvarer til drivstoff og kjemikalier fra karbondioksid, vann og solenergi, slik planter gjør. Samtidig reduserer de CO2-utslipp, som brukes som råstoff til energi- og kjemisk produksjon. Derfor er kunstig fotosyntese kjent som en av de mest avanserte grønne teknologiene.
MOF-er (metallorganiske rammeverk) er superporøse materialer som består av klynger av uorganiske metaller og organiske linkere. De kan kontrolleres på molekylært nivå i nanoområdet med et stort overflateareal. På grunn av disse egenskapene kan MOF-er brukes i gasslagring, separasjon, metalladsorpsjon, katalyse, medikamentlevering, vannbehandling, sensorer, elektroder, filtre osv. MOF-er har nylig blitt funnet å ha evnen til å fange CO2, som kan brukes til å produsere organiske stoffer gjennom CO2-fotoreduksjon, også kjent som kunstig fotosyntese.
Kvanteprikker, derimot, er ultra-ørsmå materialer (0,5–9 nanometer) med optiske egenskaper som følger reglene for kvantekjemi og kvantemekanikk. De kalles «kunstige atomer eller kunstige molekyler» fordi hver kvanteprikk bare består av noen få til tusenvis av atomer eller molekyler. I dette størrelsesområdet er ikke elektronenes energinivåer lenger kontinuerlige og blir separert på grunn av et fysisk fenomen kjent som kvanteinneslutningseffekten. I dette tilfellet vil bølgelengden til det utsendte lyset avhenge av størrelsen på kvanteprikken. Disse kvanteprikkene kan også brukes i kunstig fotosyntese på grunn av deres høye lysabsorpsjonskapasitet, evne til å generere flere eksitoner og store overflateareal.
Både MOF-er og kvanteprikker har blitt syntetisert av Green Science Alliance. Tidligere har de med hell brukt MOF-kvanteprikkkompositter til å produsere maursyre som en spesiell katalysator for kunstig fotosyntese. Disse katalysatorene er imidlertid i pulverform, og disse katalysatorpulverne må samles opp ved filtrering i hver prosess. Derfor er det vanskelig å anvende det i reell industriell bruk fordi disse prosessene ikke er kontinuerlige.
Som svar brukte Kajino Tetsuro, Iwabayashi Hirohisa og Dr. Mori Ryohei fra Green Science Alliance Co., Ltd. teknologien sin til å immobilisere disse spesielle kunstige fotosyntesekatalysatorene på et rimelig tekstilstoff og åpnet et nytt maursyreanlegg. Prosessen kan kjøres kontinuerlig for praktiske industrielle anvendelser. Etter at den kunstige fotosyntesereaksjonen er fullført, kan vannet som inneholder maursyre tas ut og ekstraheres, og deretter kan nytt ferskvann tilsettes beholderen for å fortsette gjenopptakelsen av den kunstige fotosyntesen.
Maursyre kan erstatte hydrogendrivstoff. En av hovedgrunnene til å hemme den globale adopsjonen av et hydrogenbasert samfunn er at hydrogen, det minste atomet i universet, er vanskelig å lagre, og det ville være svært dyrt å bygge et godt forseglet reservoar av hydrogen. I tillegg kan hydrogengass være eksplosivt og utgjøre en sikkerhetsfare. Det er mye enklere å lagre maursyrer som drivstoff fordi de er flytende. Om nødvendig kan maursyre katalysere reaksjonen for å produsere hydrogen in situ. I tillegg kan maursyre brukes som råmateriale for ulike kjemikalier.
Selv om effektiviteten til kunstig fotosyntese fortsatt er svært lav, vil Green Science Alliance fortsette å kjempe for å øke effektiviteten og innføre reelt anvendt kunstig fotosyntese.