Kawanishi, Japani, 15. marraskuuta 2022 /PRNewswire/ — Ympäristöongelmat, kuten ilmastonmuutos, luonnonvarojen ehtyminen, lajien sukupuutto, muovisaaste ja metsäkato, pahenevat ympäri maailmaa väestöräjähdyksen vuoksi.
Hiilidioksidi (CO2) on kasvihuonekaasu ja yksi ilmastonmuutoksen tärkeimmistä syistä. Tässä suhteessa "keinotekoinen fotosynteesi (CO2-fotoreduktio)" -niminen prosessi voi tuottaa orgaanista raaka-ainetta polttoaineille ja kemikaaleille hiilidioksidista, vedestä ja aurinkoenergiasta aivan kuten kasvitkin tekevät. Samalla ne vähentävät myös hiilidioksidipäästöjä, koska hiilidioksidia käytetään raaka-aineena energian ja kemikaalien tuotannossa. Siksi keinotekoista fotosynteesiä pidetään yhtenä uusimmista vihreistä teknologioista.
MOF-materiaalit (metalli-orgaaniset kehykset) ovat ultrahuokoisia materiaaleja, jotka koostuvat epäorgaanisten metallien ja orgaanisten linkkereiden klustereista. Niitä voidaan kontrolloida molekyylitasolla nanometrialueella, ja niillä on suuri pinta-ala. Näiden ominaisuuksien ansiosta MOF-materiaaleja voidaan käyttää kaasun varastoinnissa, erottelussa, metallien adsorptiossa, katalyysissä, lääkeaineiden annostelussa, vedenkäsittelyssä, sensoreissa, elektrodeissa, suodattimissa jne. Viime aikoina MOF-materiaalien on havaittu kykenevän sitomaan hiilidioksidia valopelkistykseen eli keinotekoiseen fotosynteesiin.
Kvanttipisteet taas ovat ultraohuita materiaaleja (0,5–9 nm), joiden optiset ominaisuudet noudattavat kvanttikemian ja kvanttimekaniikan sääntöjä. Niitä kutsutaan "keinotekoisiksi atomeiksi tai keinotekoisiksi molekyyleiksi", koska jokainen kvanttipiste koostuu vain muutamasta tai muutamasta tuhannesta atomista tai molekyylistä. Tällä kokoalueella elektronien energiatasot eivät ole enää jatkuvia ja ne erillään fyysisen ilmiön, joka tunnetaan kvanttirajoitusvaikutuksena, vuoksi. Tässä tapauksessa emittoidun valon aallonpituus riippuu kvanttipisteiden koosta. Näitä kvanttipisteitä voidaan soveltaa myös keinotekoisessa fotosynteesissä niiden suuren valonabsorptiokyvyn, kyvyn tuottaa useita eksitoneja ja suuren pinta-alan ansiosta.
Sekä MOF- että kvanttipisteitä on syntetisoitu Green Science Alliancen puitteissa. Aiemmin he ovat onnistuneesti käyttäneet MOF-kvanttipistekomposiittimateriaaleja muurahaishapon tuottamiseen erityisenä katalyytinä keinotekoiseen fotosynteesiin. Nämä katalyytit ovat kuitenkin jauhemuodossa, ja katalyyttijauheet on kerättävä suodattamalla jokaisessa prosessissa. Koska nämä prosessit eivät ole jatkuvia, niitä on vaikea soveltaa käytännön teolliseen käyttöön.
Vastauksena tähän Green Science Alliance Co., Ltd:n herrat Tetsuro Kajino, Hirohisa Iwabayashi ja tohtori Ryohei Mori käyttivät teknologiaansa kiinnittääkseen nämä erityiset keinotekoiset fotosynteesi-katalytit edullisiin tekstiililevyihin ja kehittivät uuden prosessin muurahaishapon tuotantoon, jota voidaan käyttää jatkuvasti käytännön teollisissa sovelluksissa. Keinotekoisen fotosynteesireaktion päätyttyä muurahaishappoa sisältävä vesi voidaan ottaa pois uuttamista varten, ja astiaan voidaan lisätä uutta vettä keinotekoisen fotosynteesin jatkuvaksi jatkamiseksi.
Muurahaishappo voi korvata vetypolttoaineen. Yksi tärkeimmistä syistä vetyyhteiskunnan leviämisen estämiseksi ympäri maailmaa on se, että vety on maailmankaikkeuden pienin atomi, joten sitä on vaikea varastoida, ja erittäin tiiviin vetysäiliön valmistaminen on erittäin kallista. Lisäksi vetykaasu voi olla räjähdysherkkää ja aiheuttaa turvallisuusriskin. Koska muurahaishappo on neste, sitä on helpompi varastoida polttoaineena. Tarvittaessa muurahaishappoa voidaan käyttää katalysoimaan vedyn tuotantoa in situ. Lisäksi muurahaishappoa voidaan käyttää raaka-aineena erilaisille kemikaaleille.
Vaikka keinotekoisen fotosynteesin tehokkuus on edelleen alhainen, Green Science Alliance jatkaa taistelua tehokkuuden parantamiseksi keinotekoisen fotosynteesin käytännön sovellusten löytämiseksi.