KAWANISH, Japani, 15. marraskuuta 2022 /PRNewswire/ — Ympäristöongelmat, kuten ilmastonmuutos, luonnonvarojen ehtyminen, lajien sukupuutto, muovisaaste ja maailman väestönkasvun aiheuttama metsäkato, ovat yhä polttavampia.
Hiilidioksidi (CO2) on kasvihuonekaasu ja yksi ilmastonmuutoksen tärkeimmistä syistä. Tässä suhteessa "keinotekoinen fotosynteesi (hiilidioksidin fotoreduktio)" -niminen prosessi voi tuottaa orgaanisia raaka-aineita polttoaineille ja kemikaaleille hiilidioksidista, vedestä ja aurinkoenergiasta, kuten kasvit tekevät. Samalla ne vähentävät hiilidioksidipäästöjä, joita käytetään energian ja kemikaalien tuotannon raaka-aineena. Siksi keinotekoinen fotosynteesi tunnetaan yhtenä edistyneimmistä vihreistä teknologioista.
MOF-materiaalit (metalli-orgaaniset kehykset) ovat erittäin huokoisia materiaaleja, jotka koostuvat epäorgaanisten metallien ja orgaanisten linkkereiden klustereista. Niitä voidaan kontrolloida molekyylitasolla nanoalueella suurella pinta-alalla. Näiden ominaisuuksien ansiosta MOF-materiaaleja voidaan käyttää kaasun varastoinnissa, erottelussa, metallien adsorptiossa, katalyysissä, lääkeaineiden annostelussa, vedenkäsittelyssä, sensoreissa, elektrodeissa, suodattimissa jne. MOF-materiaalien on äskettäin havaittu kykenevän sitomaan hiilidioksidia, jota voidaan käyttää orgaanisten aineiden tuottamiseen hiilidioksidin fotoreduktion eli keinotekoisen fotosynteesin avulla.
Kvanttipisteet taas ovat erittäin pieniä materiaaleja (0,5–9 nanometriä), joiden optiset ominaisuudet noudattavat kvanttikemian ja kvanttimekaniikan sääntöjä. Niitä kutsutaan "keinotekoisiksi atomeiksi tai keinotekoisiksi molekyyleiksi", koska jokainen kvanttipiste koostuu vain muutamasta tuhansista atomeista tai molekyyleistä. Tällä kokoalueella elektronien energiatasot eivät ole enää jatkuvia ja ne erillään fyysisen ilmiön, joka tunnetaan kvanttirajoitusvaikutuksena, vuoksi. Tässä tapauksessa emittoidun valon aallonpituus riippuu kvanttipisteen koosta. Näitä kvanttipisteitä voidaan soveltaa myös keinotekoisessa fotosynteesissä niiden suuren valonabsorptiokyvyn, kyvyn tuottaa useita eksitoneja ja suuren pinta-alan ansiosta.
Green Science Alliance on syntetisoinut sekä MOF- että kvanttipisteitä. Aiemmin he ovat onnistuneesti käyttäneet MOF-kvanttipistekomposiitteja muurahaishapon tuottamiseen erityisenä katalyytinä keinotekoiseen fotosynteesiin. Nämä katalyytit ovat kuitenkin jauhemaisia, ja katalyyttijauheet on kerättävä suodattamalla jokaisessa prosessissa. Siksi niiden soveltaminen teolliseen käyttöön on vaikeaa, koska nämä prosessit eivät ole jatkuvia.
Vastauksena tähän Green Science Alliance Co., Ltd:n Kajino Tetsuro, Iwabayashi Hirohisa ja tohtori Mori Ryohei käyttivät teknologiaansa kiinnittääkseen nämä erityiset keinotekoiset fotosynteesi-katalytit edulliseen tekstiilikankaaseen ja avasivat uuden muurahaishappotehtaan. Prosessia voidaan käyttää jatkuvatoimisesti käytännön teollisissa sovelluksissa. Keinotekoisen fotosynteesireaktion päätyttyä muurahaishappoa sisältävä vesi voidaan ottaa pois ja uuttaa, minkä jälkeen astiaan voidaan lisätä uutta vettä keinotekoisen fotosynteesin jatkamiseksi.
Muurahaishappo voi korvata vetypolttoaineen. Yksi tärkeimmistä syistä, jotka jarruttavat vetypohjaisen yhteiskunnan maailmanlaajuista käyttöönottoa, on se, että vetyä, maailmankaikkeuden pienintä atomia, on vaikea varastoida, ja hyvin suljetun vetysäiliön rakentaminen olisi erittäin kallista. Lisäksi vetykaasu voi olla räjähdysherkkää ja aiheuttaa turvallisuusriskin. Muurahaishappoja on paljon helpompi varastoida polttoaineena, koska ne ovat nestemäisiä. Tarvittaessa muurahaishappo voi katalysoida reaktion vedyn tuottamiseksi in situ. Lisäksi muurahaishappoa voidaan käyttää raaka-aineena useille kemikaaleille.
Vaikka keinotekoisen fotosynteesin tehokkuus on tällä hetkellä vielä hyvin alhainen, Green Science Alliance jatkaa taistelua tehokkuuden lisäämiseksi ja aidosti sovelletun keinotekoisen fotosynteesin käyttöönottamiseksi.