Kavaniši, Japāna, 2022. gada 15. novembris /PRNewswire/ — Vides problēmas, piemēram, klimata pārmaiņas, dabas resursu noplicināšana, sugu izmiršana, plastmasas piesārņojums un mežu izciršana, visā pasaulē saasinās iedzīvotāju skaita eksplozijas dēļ.
Oglekļa dioksīds (CO2) ir siltumnīcefekta gāze un viens no galvenajiem klimata pārmaiņu cēloņiem. Šajā sakarā process, kas pazīstams kā “mākslīgā fotosintēze (CO2 fotoredukcija)”, var ražot organiskas izejvielas degvielai un ķīmiskām vielām no CO2, ūdens un saules enerģijas, tāpat kā to dara augi. Vienlaikus tie arī samazina CO2 emisijas, jo CO2 tiek izmantots kā izejviela enerģijas un ķīmisko resursu ražošanā. Tāpēc mākslīgā fotosintēze tiek uzskatīta par vienu no jaunākajām zaļajām tehnoloģijām.
MOF (metāla organiskie karkasi) ir īpaši poraini materiāli, kas sastāv no neorganisko metālu un organisko saišu kopām. Tos var kontrolēt molekulārā līmenī nanometru diapazonā, un tiem ir liela virsmas platība. 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 piemīt CO2 uztveršanas spēja, kas var tikt fotoreducēta CO2 veidā, tas ir, mākslīgā fotosintēze.
Savukārt kvantu punkti ir īpaši plāni materiāli (0,5–9 nm), kuru optiskās īpašības atbilst kvantu ķīmijas un kvantu mehānikas noteikumiem. Tos sauc par “mākslīgajiem atomiem vai mākslīgajām molekulām”, jo katrs kvantu punkts sastāv tikai no dažiem vai dažiem 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 punktu 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 punkti ir sintezēti Zaļās zinātnes alianses ietvaros. Iepriekš viņi ir veiksmīgi izmantojuši MOF kvantu punktu kompozītmateriālus, lai iegūtu skudrskābi kā īpašu katalizatoru mākslīgai fotosintēzei. Tomēr šie katalizatori ir pulvera veidā, un katrā procesā šie katalizatoru pulveri ir jāsavāc filtrējot. Tāpēc, tā kā šie procesi nav nepārtraukti, tos ir grūti pielietot praksē rūpnieciskā izmantošanā.
Reaģējot uz to, uzņēmuma Green Science Alliance Co., Ltd. pārstāvji Tetsuro Kadžino kungs, Hirohisa Ivabajaši kungs un Dr. Rjohei Mori kungs izmantoja savu tehnoloģiju, lai imobilizētu šos īpašos mākslīgos fotosintēzes katalizatorus uz lētām tekstila loksnēm un izstrādātu jaunu skudrskābes ražošanas procesu, kas praktiski rūpnieciski var darboties nepārtraukti. Pēc mākslīgās fotosintēzes reakcijas pabeigšanas skudrskābi saturošo ūdeni var izņemt ekstrakcijai, un traukā var pievienot jaunu svaigu ūdeni, lai nepārtraukti atsāktu mākslīgo fotosintēzi.
Skudrskābe var aizstāt ūdeņraža degvielu. Viens no galvenajiem iemesliem, kas kavē ūdeņraža sabiedrības izplatīšanos visā pasaulē, ir tas, ka ūdeņradis ir mazākais atoms Visumā, tāpēc to ir grūti uzglabāt, un ūdeņraža tvertnes ar augstu blīvēšanas efektu ražošana būs ļoti dārga. Turklāt ūdeņraža gāze var būt sprādzienbīstama un radīt drošības apdraudējumu. Tā kā skudrskābe ir šķidrums, to ir vieglāk uzglabāt kā degvielu. Ja nepieciešams, skudrskābi var izmantot, lai katalizētu ūdeņraža ražošanu uz vietas. Turklāt skudrskābi var izmantot kā izejvielu dažādām ķīmiskām vielām.
Lai gan mākslīgās fotosintēzes efektivitāte joprojām ir zema, Zaļās zinātnes alianse turpinās cīnīties par efektivitātes uzlabojumiem, lai izveidotu praktiskus mākslīgās fotosintēzes pielietojumus.