Kawanishi, Japan, 15. november 2022 /PRNewswire/ — Miljøproblemer som klimaendringer, uttømming av naturressurser, utryddelse av arter, plastforurensning og avskoging forverres over hele verden på grunn av en befolkningseksplosjon.
Karbondioksid (CO2) er en klimagass og en av hovedårsakene til klimaendringer. I denne forbindelse kan en prosess kjent som «kunstig fotosyntese (CO2-fotoreduksjon)» produsere organisk råstoff for drivstoff og kjemikalier fra CO2, vann og solenergi, akkurat som planter gjør. Samtidig reduserer de også CO2-utslipp, siden CO2 brukes som råstoff for produksjon av energi og kjemiske ressurser. Derfor regnes kunstig fotosyntese som en av de nyeste grønne teknologiene.
MOF-er (metallorganiske rammeverk) er ultraporøse materialer som består av klynger av uorganiske metaller og organiske linkere. De kan kontrolleres på molekylært nivå i nanometerområdet og har et stort overflateareal. På grunn av disse egenskapene kan MOF-er brukes i gasslagring, separasjon, metalladsorpsjon, katalyse, medikamentlevering, vannbehandling, sensorer, elektroder, filtre, osv. Nylig har det blitt funnet at MOF-er har CO2-fangstevne som kan fotoreduseres CO2, det vil si kunstig fotosyntese.
Kvanteprikker, derimot, er ultratynne materialer (0,5–9 nm) hvis optiske egenskaper samsvarer med reglene for kvantekjemi og kvantemekanikk. De kalles «kunstige atomer eller kunstige molekyler» fordi hver kvanteprikk bare består av noen få eller noen få tusen atomer eller molekyler. I dette størrelsesområdet er ikke lenger elektronenes energinivåer 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 kvanteprikkene. 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 under Green Science Alliance. Tidligere har de med hell brukt MOF-kvanteprikkkomposittmaterialer 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. Siden disse prosessene ikke er kontinuerlige, er de derfor vanskelige å anvende i praktisk industriell bruk.
Som svar brukte Tetsuro Kajino, Hirohisa Iwabayashi og Dr. Ryohei Mori fra Green Science Alliance Co., Ltd. teknologien sin til å immobilisere disse spesielle kunstige fotosyntesekatalysatorene på rimelige tekstilark og utviklet en ny prosess for produksjon av maursyre, som kan operere kontinuerlig i praktiske industrielle applikasjoner. Etter at den kunstige fotosyntesereaksjonen er fullført, kan vannet som inneholder maursyre tas ut for ekstraksjon, og nytt ferskvann kan tilsettes tilbake i beholderen for kontinuerlig å gjenoppta kunstig fotosyntese.
Maursyre kan erstatte hydrogendrivstoff. En av hovedgrunnene til å hindre spredningen av et hydrogensamfunn rundt om i verden er at hydrogen er det minste atomet i universet, så det er vanskelig å lagre det, og produksjonen av en hydrogentank med høy tetningseffekt vil være svært dyr. I tillegg kan hydrogengass være eksplosiv og utgjøre en sikkerhetsfare. Siden maursyre er en væske, er den lettere å lagre som drivstoff. Om nødvendig kan maursyre brukes til å katalysere produksjonen av hydrogen in situ. I tillegg kan maursyre brukes som råmateriale for ulike kjemikalier.
Selv om effektiviteten til kunstig fotosyntese fortsatt er lav, vil Green Science Alliance fortsette å kjempe for effektivitetsforbedringer for å etablere praktiske anvendelser for kunstig fotosyntese.