KAWANISH, Japonija, 2022 m. lapkričio 15 d. /PRNewswire/ – Aplinkosaugos problemos, tokios kaip klimato kaita, išteklių išeikvojimas, rūšių nykimas, plastiko tarša ir miškų naikinimas, kuriuos sukelia pasaulio gyventojų skaičiaus augimas, tampa vis aktualesnės.
Anglies dioksidas (CO2) yra šiltnamio efektą sukeliančios dujos ir viena iš pagrindinių klimato kaitos priežasčių. Šiuo atžvilgiu procesas, vadinamas „dirbtine fotosinteze (anglies dioksido fotoredukcija)“, gali pagaminti organines žaliavas kurui ir chemikalams iš anglies dioksido, vandens ir saulės energijos, kaip tai daro augalai. Tuo pačiu metu jie sumažina CO2 išmetimą, kuris naudojamas kaip žaliava energijos ir cheminių medžiagų gamybai. Todėl dirbtinė fotosintezė yra žinoma kaip viena pažangiausių žaliųjų technologijų.
MOF (metalo-organinės struktūros) yra itin akytos medžiagos, sudarytos iš neorganinių metalų ir organinių jungčių grupių. Jas galima valdyti molekuliniu lygmeniu nano diapazone, turint didelį paviršiaus plotą. Dėl šių savybių MOF gali būti naudojami dujų saugojimui, atskyrimui, metalų adsorbcijai, katalizei, vaistų tiekimui, vandens valymui, jutikliams, elektrodams, filtrams ir kt. Neseniai buvo atrasta, kad MOF gali surinkti CO2, kuris gali būti naudojamas organinėms medžiagoms gaminti CO2 fotoredukcijos, dar vadinamos dirbtine fotosinteze, būdu.
Kita vertus, kvantiniai taškai yra itin mažos medžiagos (0,5–9 nanometrai), kurių optinės savybės atitinka kvantinės chemijos ir kvantinės mechanikos taisykles. Jie vadinami „dirbtiniais atomais arba dirbtinėmis molekulėmis“, nes kiekvieną kvantinį tašką sudaro tik nuo kelių iki tūkstančių atomų ar molekulių. Šiame dydžių diapazone elektronų energijos lygmenys nebėra ištisiniai ir tampa atskirti dėl fizikinio reiškinio, vadinamo kvantinio sulaikymo efektu. Šiuo atveju skleidžiamos šviesos bangos ilgis priklausys nuo kvantinio taško dydžio. Šie kvantiniai taškai taip pat gali būti naudojami dirbtinėje fotosintezėje dėl didelio šviesos sugerties pajėgumo, gebėjimo generuoti kelis eksitonus ir didelio paviršiaus ploto.
Žaliojo mokslo aljansas susintetino ir MOF, ir kvantinius taškus. Anksčiau jie sėkmingai naudojo MOF ir kvantinių taškų kompozitus skruzdžių rūgštiai, kuri yra specialus dirbtinės fotosintezės katalizatorius, gaminti. Tačiau šie katalizatoriai yra miltelių pavidalo ir kiekviename procese juos reikia surinkti filtruojant. Todėl juos sunku pritaikyti realiame pramonėje, nes šie procesai nėra nuolatiniai.
Reaguodami į tai, „Green Science Alliance Co., Ltd.“ atstovai p. Kajino Tetsuro, p. Iwabayashi Hirohisa ir dr. Mori Ryohei panaudojo savo technologiją, kad imobilizuotų šiuos specialius dirbtinius fotosintezės katalizatorius ant nebrangaus tekstilinio audinio ir atidarytų naują skruzdžių rūgšties gamyklą. Praktiškai pramoniniam naudojimui procesas gali būti vykdomas nepertraukiamai. Pasibaigus dirbtinės fotosintezės reakcijai, vandenį, kuriame yra skruzdžių rūgšties, galima išimti ir išgauti, o tada į talpyklą įpilti naujo vandens, kad būtų tęsiama dirbtinė fotosintezė.
Skruzdžių rūgštis gali pakeisti vandenilio kurą. Viena iš pagrindinių priežasčių, stabdančių vandeniliu pagrįstos visuomenės plitimą visame pasaulyje, yra ta, kad vandenilį, mažiausią atomą visatoje, sunku laikyti, o gerai sandaraus vandenilio rezervuaro statyba būtų labai brangi. Be to, vandenilio dujos gali būti sprogios ir kelti pavojų saugai. Skruzdžių rūgštis daug lengviau laikyti kaip kurą, nes jos yra skystos. Prireikus skruzdžių rūgštis gali katalizuoti reakciją, kurios metu vietoje susidaro vandenilis. Be to, skruzdžių rūgštis gali būti naudojama kaip žaliava įvairioms cheminėms medžiagoms.
Net jei dirbtinės fotosintezės efektyvumas šiuo metu vis dar labai mažas, Žaliojo mokslo aljansas toliau kovos už efektyvumo didinimą ir iš tiesų taikomosios dirbtinės fotosintezės įdiegimą.