KAVANISH, Japāna, 2022. gada 15. novembris /PRNewswire/ — Vides problēmas, piemēram, klimata pārmaiņas, resursu noplicināšana, sugu izmiršana, plastmasas piesārņojums un mežu izciršana, ko izraisa pasaules iedzīvotāju skaita pieaugums, kļūst arvien aktuālākas.
Oglekļa dioksīds (CO2) ir siltumnīcefekta gāze un viens no galvenajiem klimata pārmaiņu cēloņiem. Šajā sakarā process, ko sauc par "mākslīgo fotosintēzi (oglekļa dioksīda fotoredukciju)", var ražot organiskas izejvielas degvielai un ķīmiskām vielām no oglekļa dioksīda, ūdens un saules enerģijas, tāpat kā augi. Vienlaikus tie samazina CO2 emisijas, kuras tiek izmantotas kā izejviela enerģijas un ķīmisko vielu ražošanā. Tāpēc mākslīgā fotosintēze ir pazīstama kā viena no vismodernākajām zaļajām tehnoloģijām.
MOF (metāla-organiskie karkasi) ir superporaini materiāli, kas sastāv no neorganisko metālu un organisko saišu kopām. Tos var kontrolēt molekulārā līmenī nanodiapazonā ar lielu virsmas laukumu. Pateicoties šīm īpašībām, MOF var izmantot gāzes uzglabāšanā, atdalīšanā, metālu adsorbcijā, katalīzē, zāļu piegādē, ūdens attīrīšanā, sensoros, elektrodos, filtros utt. Nesen ir atklāts, ka MOF spēj uztvert CO2, ko var izmantot organisko vielu ražošanai, izmantojot CO2 fotoredukciju, kas pazīstama arī kā mākslīgā fotosintēze.
Savukārt kvantu punkti ir īpaši sīki materiāli (0,5–9 nanometri) ar optiskām īpašībām, kas pakļaujas kvantu ķīmijas un kvantu mehānikas noteikumiem. Tos sauc par “mākslīgajiem atomiem vai mākslīgajām molekulām”, jo katrs kvantu punkts sastāv tikai no dažiem līdz tūkstošiem atomu vai molekulu. Šajā izmēru diapazonā elektronu enerģijas līmeņi vairs nav nepārtraukti un kļūst atdalīti fiziskas parādības, kas pazīstama kā kvantu ierobežošanas efekts, dēļ. Šajā gadījumā izstarotās gaismas viļņa garums būs atkarīgs no kvantu punkta lieluma. Šos kvantu punktus var izmantot arī mākslīgajā fotosintēzē, pateicoties to augstajai gaismas absorbcijas spējai, spējai ģenerēt vairākus eksitonus un lielajai virsmas platībai.
Gan MOF, gan kvantu punktus ir sintezējusi Zaļās zinātnes alianse. Iepriekš viņi veiksmīgi izmantoja MOF-kvantu punktu kompozītmateriālus, lai iegūtu skudrskābi kā īpašu katalizatoru mākslīgai fotosintēzei. Tomēr šie katalizatori ir pulvera veidā, un katrā procesā šie katalizatora pulveri ir jāsavāc filtrējot. Tāpēc to ir grūti pielietot reālā rūpnieciskā izmantošanā, jo šie procesi nav nepārtraukti.
Reaģējot uz to, Kadžino Tetsuro kungs, Ivabajaši Hirohisa kungs un Dr. Mori Rjohei no Green Science Alliance Co., Ltd. izmantoja savu tehnoloģiju, lai imobilizētu šos īpašos mākslīgos fotosintēzes katalizatorus uz lēta tekstilmateriāla un atvērtu jaunu skudrskābes rūpnīcu. Procesu var darbināt nepārtraukti praktiskos rūpnieciskos pielietojumos. Pēc mākslīgās fotosintēzes reakcijas pabeigšanas skudrskābi saturošo ūdeni var izņemt un ekstrahēt, un pēc tam traukā var pievienot jaunu svaigu ūdeni, lai turpinātu mākslīgās fotosintēzes atsākšanu.
Skudrskābe var aizstāt ūdeņraža degvielu. Viens no galvenajiem iemesliem, kas kavē uz ūdeņradi balstītas sabiedrības pieņemšanu visā pasaulē, ir tas, ka ūdeņradi, mazāko atomu Visumā, ir grūti uzglabāt, un būtu ļoti dārgi uzbūvēt labi noslēgtu ūdeņraža rezervuāru. Turklāt ūdeņraža gāze var būt sprādzienbīstama un radīt drošības apdraudējumu. Skudrskābes ir daudz vieglāk uzglabāt kā degvielu, jo tās ir šķidras. Ja nepieciešams, skudrskābe var katalizēt reakciju, lai in situ ražotu ūdeņradi. Turklāt skudrskābi var izmantot kā izejvielu dažādām ķīmiskām vielām.
Pat ja mākslīgās fotosintēzes efektivitāte pašlaik joprojām ir ļoti zema, Zaļās zinātnes alianse turpinās cīnīties par efektivitātes palielināšanu un patiesi lietišķas mākslīgās fotosintēzes ieviešanu.