Kawanishi, Japan, 15 november 2022 /PRNewswire/ — Miljöproblem som klimatförändringar, utarmning av naturresurser, utrotning av arter, plastföroreningar och avskogning förvärras runt om i världen på grund av en befolkningsexplosion.
Koldioxid (CO2) är en växthusgas och en av de främsta orsakerna till klimatförändringar. I detta avseende kan en process som kallas "artificiell fotosyntes (CO2-fotoreduktion)" producera organiskt råmaterial för bränslen och kemikalier från CO2, vatten och solenergi, precis som växter gör. Samtidigt minskar de också koldioxidutsläppen, eftersom CO2 används som råmaterial för produktion av energi och kemiska resurser. Därför anses artificiell fotosyntes vara en av de senaste gröna teknikerna.
MOF:er (Metal Organic Frameworks) är ultraporösa material som består av kluster av oorganiska metaller och organiska länkar. De kan kontrolleras på molekylär nivå i nanometerområdet och har en stor ytarea. Tack vare dessa egenskaper kan MOF:er användas för gaslagring, separation, metalladsorption, katalys, läkemedelsleverans, vattenbehandling, sensorer, elektroder, filter etc. Nyligen har MOF:er visat sig ha CO2-infångningsförmåga som kan fotoreduceras med CO2, det vill säga artificiell fotosyntes.
Kvantprickar, å andra sidan, är ultratunna material (0,5–9 nm) vars optiska egenskaper överensstämmer med kvantkemins och kvantmekanikens regler. De kallas "artificiella atomer eller artificiella molekyler" eftersom varje kvantprick består av endast ett fåtal eller några tusen 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 kvantprickarnas 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 inom ramen för Green Science Alliance. Tidigare har de framgångsrikt använt MOF-kvantprickkompositmaterial 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. Eftersom dessa processer inte är kontinuerliga är de därför svåra att tillämpa för praktisk industriell användning.
Som svar använde Tetsuro Kajino, Hirohisa Iwabayashi och Dr. Ryohei Mori från Green Science Alliance Co., Ltd. sin teknik för att immobilisera dessa speciella artificiella fotosynteskatalysatorer på billiga textildukar och utvecklade en ny process för produktion av myrsyra, som kan fungera kontinuerligt i praktiska industriella tillämpningar. Efter att den artificiella fotosyntesreaktionen är avslutad kan vattnet som innehåller myrsyra tas ut för extraktion, och nytt färskvatten kan tillsättas tillbaka till behållaren för att kontinuerligt återuppta den artificiella fotosyntesen.
Myrsyra kan ersätta vätgasbränsle. En av de främsta anledningarna till att vätgassamhället inte sprids runt om i världen är att vätgas är den minsta atomen i universum, så det är svårt att lagra den, och produktionen av en vätgastank med hög tätningseffekt blir mycket dyr. Dessutom kan vätgas vara explosiv och utgöra en säkerhetsrisk. Eftersom myrsyra är en vätska är den lättare att lagra som bränsle. Vid behov kan myrsyra användas för att katalysera produktionen av vätgas in situ. Dessutom kan myrsyra användas som råmaterial för olika kemikalier.
Även om effektiviteten i artificiell fotosyntes fortfarande är låg, kommer Green Science Alliance att fortsätta kämpa för effektivitetsförbättringar för att etablera praktiska tillämpningar för artificiell fotosyntes.