Kawanishis, Japonija, 2022 m. lapkričio 15 d. /PRNewswire/ – Dėl gyventojų skaičiaus sprogimo visame pasaulyje aštrėja aplinkosaugos problemos, tokios kaip klimato kaita, gamtos išteklių išeikvojimas, rūšių nykimas, plastiko tarša ir miškų naikinimas.
Anglies dioksidas (CO2) yra šiltnamio efektą sukeliančios dujos ir viena pagrindinių klimato kaitos priežasčių. Šiuo atžvilgiu procesas, žinomas kaip „dirbtinė fotosintezė (CO2 fotoredukcija)“, gali pagaminti organines žaliavas kurui ir cheminėms medžiagoms iš CO2, vandens ir saulės energijos, kaip tai daro augalai. Tuo pačiu metu jie taip pat sumažina CO2 išmetimą, nes CO2 naudojamas kaip žaliava energijos ir cheminių išteklių gamybai. Todėl dirbtinė fotosintezė laikoma viena iš naujausių žaliųjų technologijų.
MOF (metaliniai organiniai karkasai) yra itin akytos medžiagos, sudarytos iš neorganinių metalų ir organinių jungčių grupių. Jas galima valdyti molekuliniu lygmeniu nanometrų diapazone ir jos turi 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 turi CO2 surinkimo savybę, kuri gali būti fotoredukuota CO2, t. y. dirbtinė fotosintezė.
Kita vertus, kvantiniai taškai yra itin plonos medžiagos (0,5–9 nm), kurių optinės savybės atitinka kvantinės chemijos ir kvantinės mechanikos taisykles. Jie vadinami „dirbtiniais atomais arba dirbtinėmis molekulėmis“, nes kiekvieną kvantinį tašką sudaro tik keli arba keli tūkstančiai atomų arba 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 kvantinių taškų dydžio. Šie kvantiniai taškai taip pat gali būti taikomi dirbtinėje fotosintezėje dėl didelio šviesos sugerties pajėgumo, gebėjimo generuoti kelis eksitonus ir didelio paviršiaus ploto.
Pagal Žaliojo mokslo aljansą buvo susintetinti ir MOF, ir kvantiniai taškai. Anksčiau jie sėkmingai naudojo MOF kvantinių taškų kompozicines medžiagas skruzdžių rūgščiai, kuri yra specialus dirbtinės fotosintezės katalizatorius, gaminti. Tačiau šie katalizatoriai yra miltelių pavidalo ir kiekviename procese juos reikia surinkti filtruojant. Todėl, kadangi šie procesai nėra nuolatiniai, juos sunku pritaikyti praktiniam pramoniniam naudojimui.
Reaguodami į tai, „Green Science Alliance Co., Ltd.“ atstovai p. Tetsuro Kajino, p. Hirohisa Iwabayashi ir dr. Ryohei Mori panaudojo savo technologiją, kad imobilizuotų šiuos specialius dirbtinius fotosintezės katalizatorius ant nebrangių tekstilės lakštų ir sukūrė naują skruzdžių rūgšties gamybos procesą, kuris praktinėse pramonės srityse gali veikti nuolat. Pasibaigus dirbtinės fotosintezės reakcijai, vandenį, kuriame yra skruzdžių rūgšties, galima išimti ekstrakcijai, o į talpyklą galima įpilti naujo vandens, kad dirbtinė fotosintezė būtų nuolat atnaujinama.
Skruzdžių rūgštis gali pakeisti vandenilio kurą. Viena iš pagrindinių priežasčių, trukdančių vandenilio visuomenės plitimui visame pasaulyje, yra ta, kad vandenilis yra mažiausias atomas visatoje, todėl jį sunku laikyti, o vandenilio bako su dideliu sandarumo efektu gamyba bus labai brangi. Be to, vandenilio dujos gali būti sprogios ir kelti pavojų saugai. Kadangi skruzdžių rūgštis yra skystis, ją lengviau laikyti kaip kurą. Prireikus skruzdžių rūgštis gali būti naudojama vandenilio gamybai in situ katalizatoriumi. Be to, skruzdžių rūgštis gali būti naudojama kaip žaliava įvairioms cheminėms medžiagoms.
Nors dirbtinės fotosintezės efektyvumas vis dar yra mažas, Žaliojo mokslo aljansas toliau kovos už efektyvumo gerinimą, kad būtų galima praktiškai pritaikyti dirbtinę fotosintezę.