Kawanishi, Jaapan, 15. november 2022 /PRNewswire/ – Keskkonnaprobleemid, nagu kliimamuutused, loodusvarade ammendumine, liikide väljasuremine, plastreostus ja metsade hävitamine, süvenevad kogu maailmas rahvastiku plahvatusliku kasvu tõttu.
Süsinikdioksiid (CO2) on kasvuhoonegaas ja üks peamisi kliimamuutuste põhjustajaid. Sellega seoses saab protsessi nimega „kunstlik fotosüntees (CO2 fotoreduktsioon)“ abil toota CO2-st, veest ja päikeseenergiast orgaanilist toorainet kütuste ja kemikaalide jaoks, just nagu taimedki. Samal ajal vähendavad nad ka CO2 heitkoguseid, kuna CO2-d kasutatakse toorainena energia ja keemiliste ressursside tootmiseks. Seetõttu peetakse kunstlikku fotosünteesi üheks uusimaks roheliseks tehnoloogiaks.
MOF-id (metall-orgaanilised karkassid) on ülipoorsed materjalid, mis koosnevad anorgaaniliste metallide ja orgaaniliste linkerite klastritest. Neid saab molekulaarsel tasemel nanomeetri ulatuses kontrollida ja neil on suur pindala. Tänu nendele omadustele saab MOF-e kasutada gaasi ladustamisel, eraldamisel, metallide adsorptsioonil, katalüüsil, ravimite manustamisel, vee töötlemisel, anduritel, elektroodidel, filtritel jne. Hiljuti on leitud, et MOF-idel on CO2 sidumise võime, mis võimaldab fotoredutseerida CO2-d, st kunstlikku fotosünteesi.
Kvantpunktid on seevastu üliõhukesed materjalid (0,5–9 nm), mille optilised omadused vastavad kvantkeemia ja kvantmehaanika reeglitele. Neid nimetatakse „kunstlikeks aatomiteks või tehismolekulideks“, sest iga kvantpunkt koosneb vaid mõnest või mõnest 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 kvantpunktide 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 sünteesitud Rohelise Teaduse Liidu raames. Varem on nad edukalt kasutanud MOF-kvantpunktide komposiitmaterjale sipelghappe tootmiseks spetsiaalse katalüsaatorina kunstlikuks fotosünteesiks. Need katalüsaatorid on aga pulbri kujul ja igas protsessis tuleb need katalüsaatoripulbrid filtreerimise teel koguda. Seetõttu on neid protsessid, kuna need ei ole pidevad, keeruline tööstuses praktikas rakendada.
Vastuseks kasutasid Green Science Alliance Co., Ltd. esindajad hr Tetsuro Kajino, hr Hirohisa Iwabayashi ja dr Ryohei Mori oma tehnoloogiat, et immobiliseerida need spetsiaalsed kunstlikud fotosünteesi katalüsaatorid odavatele tekstiillehtedele ja töötada välja uue sipelghappe tootmise protsessi, mis saab praktilistes tööstuslikes rakendustes pidevalt töötada. Pärast kunstliku fotosünteesi reaktsiooni lõppemist saab sipelghapet sisaldava vee ekstraheerimiseks välja võtta ja anumasse saab tagasi lisada uut värsket vett, et kunstlik fotosüntees pidevalt jätkata.
Sipelghape võib asendada vesinikkütust. Üks peamisi põhjuseid, mis takistab vesinikuühiskonna levikut üle maailma, on see, et vesinik on universumi väikseim aatom, mistõttu on seda keeruline säilitada ja suure tihendusefektiga vesinikupaagi tootmine on väga kulukas. Lisaks võib vesinikgaas olla plahvatusohtlik ja kujutada endast ohtu ohutusele. Kuna sipelghape on vedelik, on seda lihtsam kütusena säilitada. Vajadusel saab sipelghapet kasutada vesiniku tootmise katalüüsimiseks kohapeal. Lisaks saab sipelghapet kasutada mitmesuguste kemikaalide toorainena.
Kuigi kunstliku fotosünteesi efektiivsus on endiselt madal, jätkab Rohelise Teaduse Liit võitlust efektiivsuse parandamise eest, et luua kunstliku fotosünteesi praktilisi rakendusi.