KAWANISH, Japan, 15 november 2022 /PRNewswire/ — Miljöfrågor som klimatförändringar, resursutarmning, artutrotning, plastföroreningar och avskogning orsakade av världens befolkningsökning blir alltmer angelägna.
Koldioxid (CO2) är en växthusgas och en av de främsta orsakerna till klimatförändringar. I detta avseende kan en process som kallas "artificiell fotosyntes (fotoreduktion av koldioxid)" producera organiska råvaror för bränsle och kemikalier från koldioxid, vatten och solenergi, precis som växter gör. Samtidigt minskar de koldioxidutsläppen, som används som råvara för energi- och kemikalieproduktion. Därför är artificiell fotosyntes känd som en av de mest avancerade gröna teknikerna.
MOF:er (metallorganiska ramverk) är superporösa material som består av kluster av oorganiska metaller och organiska länkar. De kan kontrolleras på molekylär nivå i nanoområdet med en stor ytarea. På grund av dessa egenskaper kan MOF:er användas för gaslagring, separation, metalladsorption, katalys, läkemedelsleverans, vattenbehandling, sensorer, elektroder, filter etc. MOF:er har nyligen visat sig ha förmågan att fånga upp CO2, vilket kan användas för att producera organiska ämnen genom CO2-fotoreduktion, även känd som artificiell fotosyntes.
Kvantprickar, å andra sidan, är ultrasmå material (0,5–9 nanometer) med optiska egenskaper som följer reglerna för kvantkemi och kvantmekanik. De kallas "artificiella atomer eller artificiella molekyler" eftersom varje kvantprick består av endast några få till tusentals atomer eller molekyler. I detta storleksintervall är elektronernas energinivåer inte längre kontinuerliga och separeras på grund av ett fysikaliskt fenomen som kallas kvantinneslutningseffekten. I detta fall beror våglängden för det emitterade ljuset på kvantprickens storlek. Dessa kvantprickar kan också användas i artificiell fotosyntes på grund av deras höga ljusabsorptionskapacitet, förmåga att generera flera excitoner och stora ytarea.
Både MOF:er och kvantprickar har syntetiserats av Green Science Alliance. Tidigare har de framgångsrikt använt MOF-kvantprickkompositer för att producera myrsyra som en speciell katalysator för artificiell fotosyntes. Dessa katalysatorer är dock i pulverform och dessa katalysatorpulver måste samlas upp genom filtrering i varje process. Därför är det svårt att tillämpa det för verklig industriell användning eftersom dessa processer inte är kontinuerliga.
Som svar använde Kajino Tetsuro, Iwabayashi Hirohisa och Dr. Mori Ryohei från Green Science Alliance Co., Ltd. sin teknik för att immobilisera dessa speciella artificiella fotosynteskatalysatorer på ett billigt textiltyg och öppnade en ny myrsyraanläggning. Processen kan köras kontinuerligt för praktiska industriella tillämpningar. Efter att den artificiella fotosyntesreaktionen är avslutad kan vattnet som innehåller myrsyra tas ut och extraheras, och sedan kan nytt färskvatten tillsättas till behållaren för att fortsätta återupptagandet av den artificiella fotosyntesen.
Myrsyra kan ersätta vätgas. En av de främsta anledningarna till att det globala införandet av ett vätgasbaserat samhälle hämmas är att vätgas, den minsta atomen i universum, är svår att lagra, och det skulle vara mycket dyrt att bygga en väl förseglad vätgasreservoar. Dessutom kan vätgas vara explosiv och utgöra en säkerhetsrisk. Det är mycket lättare att lagra myrsyror som bränsle eftersom de är flytande. Vid behov kan myrsyra katalysera reaktionen för att producera vätgas in situ. Dessutom kan myrsyra användas som råmaterial för olika kemikalier.
Även om effektiviteten i artificiell fotosyntes för närvarande fortfarande är mycket låg, kommer Green Science Alliance att fortsätta kämpa för att öka effektiviteten och införa verkligt tillämpad artificiell fotosyntes.