KAWANISH, Jaapan, 15. november 2022 /PRNewswire/ – Keskkonnaprobleemid, nagu kliimamuutused, ressursside ammendumine, liikide väljasuremine, plastreostus ja maailma rahvastiku hüppelise kasvu põhjustatud metsade hävitamine, muutuvad üha pakilisemaks.
Süsinikdioksiid (CO2) on kasvuhoonegaas ja üks peamisi kliimamuutuste põhjustajaid. Sellega seoses saab protsessi nimega „kunstlik fotosüntees (süsinikdioksiidi fotoreduktsioon)“ abil toota süsinikdioksiidist, veest ja päikeseenergiast orgaanilisi tooraineid kütuse ja kemikaalide jaoks, nagu taimedki teevad. Samal ajal vähendavad nad CO2 heitkoguseid, mida kasutatakse energia ja kemikaalide tootmise toorainena. Seetõttu tuntakse kunstlikku fotosünteesi kui ühte kõige arenenumat rohelist tehnoloogiat.
MOF-id (metall-orgaanilised karkassid) on ülipoorsed materjalid, mis koosnevad anorgaaniliste metallide ja orgaaniliste sidujate klastritest. Neid saab molekulaarsel tasandil nanoosakestega kontrollida suure pindalaga. Tänu nendele omadustele saab MOF-e kasutada gaasi ladustamisel, eraldamisel, metallide adsorptsioonil, katalüüsil, ravimite manustamisel, vee töötlemisel, anduritel, elektroodidel, filtritel jne. Hiljuti on avastatud, et MOF-idel on võime siduda CO2, mida saab kasutada orgaaniliste ainete tootmiseks CO2 fotoreduktsiooni ehk kunstliku fotosünteesi teel.
Kvantpunktid on seevastu ülipisikesed materjalid (0,5–9 nanomeetrit), mille optilised omadused järgivad kvantkeemia ja kvantmehaanika reegleid. Neid nimetatakse „kunstlikeks aatomiteks või tehismolekulideks“, sest iga kvantpunkt koosneb vaid mõnest kuni tuhandest aatomist või molekulist. Selles suurusvahemikus ei ole elektronide energiatasemed enam pidevad ja eralduvad füüsikalise nähtuse tõttu, mida tuntakse kvantpiiramise efektina. Sellisel juhul sõltub kiiratava valguse lainepikkus kvantpunkti suurusest. Neid kvantpunkte saab kasutada ka kunstlikus fotosünteesis tänu nende suurele valguse neeldumisvõimele, võimele genereerida mitu eksitoni ja suurele pindalale.
Nii MOF-e kui ka kvantpunkte on sünteesinud Green Science Alliance. Varem on nad edukalt kasutanud MOF-kvantpunktide komposiite sipelghappe tootmiseks spetsiaalse katalüsaatorina kunstlikuks fotosünteesiks. Need katalüsaatorid on aga pulbri kujul ja igas protsessis tuleb need katalüsaatoripulbrid filtreerimise teel koguda. Seetõttu on seda keeruline tööstuses reaalselt rakendada, kuna need protsessid ei ole pidevad.
Vastuseks kasutasid Green Science Alliance Co., Ltd. esindajad hr Kajino Tetsuro, hr Iwabayashi Hirohisa ja dr Mori Ryohei oma tehnoloogiat, et immobiliseerida need spetsiaalsed kunstlikud fotosünteesi katalüsaatorid odavale tekstiilkangale ja avasid uue sipelghappe tehase. Protsessi saab praktilise tööstusliku rakenduse jaoks pidevalt käitada. Pärast kunstliku fotosünteesi reaktsiooni lõppu saab sipelghapet sisaldava vee välja võtta ja ekstraheerida ning seejärel saab anumasse lisada uut värsket vett, et kunstlik fotosünteesi jätkata.
Sipelghape võib asendada vesinikkütust. Üks peamisi põhjuseid, mis takistab vesinikul põhineva ühiskonna ülemaailmset omaksvõttu, on see, et vesinikku, universumi väikseimat aatomit, on raske säilitada ja hästi suletud vesinikureservuaari ehitamine oleks väga kulukas. Lisaks võib vesinikgaas olla plahvatusohtlik ja kujutada endast ohtu ohutusele. Sipelghappeid on kütusena palju lihtsam säilitada, kuna need on vedelad. Vajadusel saab sipelghape katalüüsida reaktsiooni, et toota vesinikku kohapeal. Lisaks saab sipelghapet kasutada mitmesuguste kemikaalide toorainena.
Isegi kui kunstliku fotosünteesi efektiivsus on praegu veel väga madal, jätkab Rohelise Teaduse Liit võitlust efektiivsuse suurendamise ja tõeliselt rakendusliku kunstliku fotosünteesi juurutamise eest.