Kawanishi, Japó, 15 de novembre de 2022 /PRNewswire/ — Els problemes mediambientals com el canvi climàtic, l'esgotament dels recursos naturals, l'extinció d'espècies, la contaminació per plàstics i la desforestació s'estan agreujant arreu del món a causa d'una explosió demogràfica.
El diòxid de carboni (CO2) és un gas d'efecte hivernacle i una de les principals causes del canvi climàtic. En aquest sentit, un procés conegut com a "fotosíntesi artificial (fotoreducció de CO2)" pot produir matèria primera orgànica per a combustibles i productes químics a partir de CO2, aigua i energia solar, tal com fan les plantes. Alhora, també redueixen les emissions de CO2, ja que el CO2 s'utilitza com a matèria primera per a la producció d'energia i recursos químics. Per tant, la fotosíntesi artificial es considera una de les tecnologies verdes més recents.
Els MOF (estructures orgàniques metàl·liques) són materials ultraporosos compostos per clústers de metalls inorgànics i enllaços orgànics. Es poden controlar a nivell molecular en el rang nanomètric i tenen una gran superfície. A causa d'aquestes propietats, els MOF es poden aplicar en l'emmagatzematge de gasos, la separació, l'adsorció de metalls, la catàlisi, l'administració de fàrmacs, el tractament d'aigües, sensors, elèctrodes, filtres, etc. Recentment, s'ha descobert que els MOF tenen la capacitat de capturar CO2 que pot ser CO2 fotoreduït, és a dir, la fotosíntesi artificial.
Els punts quàntics, en canvi, són materials ultrafins (0,5–9 nm) les propietats òptiques dels quals s'ajusten a les regles de la química quàntica i la mecànica quàntica. S'anomenen "àtoms artificials o molècules artificials" perquè cada punt quàntic consta només d'uns pocs o uns pocs milers d'àtoms o molècules. En aquest rang de mida, els nivells d'energia dels electrons ja no són continus i se separen a causa d'un fenomen físic conegut com a efecte de confinament quàntic. En aquest cas, la longitud d'ona de la llum emesa dependrà de la mida dels punts quàntics. Aquests punts quàntics també es poden aplicar en la fotosíntesi artificial a causa de la seva alta capacitat d'absorció de llum, la capacitat de generar múltiples excitons i la gran superfície.
Tant els MOF com els punts quàntics s'han sintetitzat sota la Green Science Alliance. Anteriorment, han utilitzat amb èxit materials compostos de punts quàntics MOF per produir àcid fòrmic com a catalitzador especial per a la fotosíntesi artificial. Tanmateix, aquests catalitzadors es troben en forma de pols i aquestes pols catalitzadores s'han de recollir per filtració en cada procés. Per tant, com que aquests processos no són continus, són difícils d'aplicar per a un ús industrial pràctic.
En resposta, el Sr. Tetsuro Kajino, el Sr. Hirohisa Iwabayashi i el Dr. Ryohei Mori de Green Science Alliance Co., Ltd. van utilitzar la seva tecnologia per immobilitzar aquests catalitzadors especials de la fotosíntesi artificial en làmines tèxtils econòmiques i van desenvolupar un nou procés per a la producció d'àcid fòrmic, que pot funcionar contínuament en aplicacions industrials pràctiques. Un cop finalitzada la reacció de fotosíntesi artificial, l'aigua que conté àcid fòrmic es pot extreure per a l'extracció i es pot afegir aigua fresca nova al recipient per reprendre contínuament la fotosíntesi artificial.
L'àcid fòrmic pot substituir el combustible d'hidrogen. Una de les principals raons que impedeixen la propagació d'una societat de l'hidrogen arreu del món és que l'hidrogen és l'àtom més petit de l'univers, per la qual cosa és difícil d'emmagatzemar-lo, i la producció d'un dipòsit d'hidrogen amb un alt efecte de segellat serà molt costosa. A més, el gas hidrogen pot ser explosiu i representar un perill per a la seguretat. Com que l'àcid fòrmic és un líquid, és més fàcil d'emmagatzemar com a combustible. Si cal, l'àcid fòrmic es pot utilitzar per catalitzar la producció d'hidrogen in situ. A més, l'àcid fòrmic es pot utilitzar com a matèria primera per a diversos productes químics.
Tot i que l'eficiència de la fotosíntesi artificial encara és baixa, la Green Science Alliance continuarà lluitant per millores d'eficiència per establir aplicacions pràctiques per a la fotosíntesi artificial.