KAWANISH, Japan, 15 november 2022 /PRNewswire/ — Milieuproblemen zoals klimaatverandering, uitputting van natuurlijke hulpbronnen, het uitsterven van diersoorten, plasticvervuiling en ontbossing als gevolg van de wereldwijde bevolkingsgroei worden steeds urgenter.
Koolstofdioxide (CO2) is een broeikasgas en een van de belangrijkste oorzaken van klimaatverandering. In dit verband kan een proces genaamd "kunstmatige fotosynthese (fotoreductie van koolstofdioxide)" organische grondstoffen voor brandstof en chemicaliën produceren uit koolstofdioxide, water en zonne-energie, net zoals planten dat doen. Tegelijkertijd vermindert het de CO2-uitstoot, die gebruikt kan worden als grondstof voor energie- en chemische productie. Daarom staat kunstmatige fotosynthese bekend als een van de meest geavanceerde groene technologieën.
MOF's (metaal-organische raamwerken) zijn superporeuze materialen die bestaan ​​uit clusters van anorganische metalen en organische verbindingsstukken. Ze kunnen op moleculair niveau in het nanobereik worden gecontroleerd en hebben een groot oppervlak. Dankzij deze eigenschappen kunnen MOF's worden toegepast in gasopslag, scheiding, metaaladsorptie, katalyse, medicijntoevoer, waterzuivering, sensoren, elektroden, filters, enzovoort. Recent is ontdekt dat MOF's het vermogen hebben om CO2 af te vangen, wat kan worden gebruikt om organische stoffen te produceren door middel van fotoreductie van CO2, ook wel bekend als kunstmatige fotosynthese.
Kwantumstippen daarentegen zijn ultrakleine materialen (0,5–9 nanometer) met optische eigenschappen die voldoen aan de wetten van de kwantumchemie en de kwantummechanica. Ze worden "kunstmatige atomen" of "kunstmatige moleculen" genoemd, omdat elke kwantumstip slechts uit een paar tot duizenden atomen of moleculen bestaat. In dit groottebereik zijn de energieniveaus van de elektronen niet langer continu en raken ze gescheiden door een fysisch fenomeen dat bekend staat als het kwantumconfinement-effect. In dit geval is de golflengte van het uitgezonden licht afhankelijk van de grootte van de kwantumstip. Deze kwantumstippen kunnen ook worden toegepast in kunstmatige fotosynthese vanwege hun hoge lichtabsorptievermogen, het vermogen om meerdere excitonen te genereren en hun grote oppervlakte.
Zowel MOF's als kwantumstippen zijn gesynthetiseerd door de Green Science Alliance. Eerder hebben ze met succes MOF-kwantumstipcomposieten gebruikt om mierenzuur te produceren als speciale katalysator voor kunstmatige fotosynthese. Deze katalysatoren zijn echter in poedervorm en moeten in elk proces door filtratie worden opgevangen. Daardoor is toepassing in de praktijk in de industrie lastig, omdat deze processen niet continu zijn.
Als reactie hierop gebruikten de heren Kajino Tetsuro, Iwabayashi Hirohisa en dr. Mori Ryohei van Green Science Alliance Co., Ltd. hun technologie om deze speciale kunstmatige fotosynthese-katalysatoren te immobiliseren op een goedkoop textielweefsel en openden zo een nieuwe mierenzuurfabriek. Het proces kan continu worden uitgevoerd voor praktische industriële toepassingen. Na afloop van de kunstmatige fotosynthesereactie kan het water met mierenzuur worden afgetapt en geëxtraheerd, waarna vers water aan de container kan worden toegevoegd om de kunstmatige fotosynthese te hervatten.
Mierenzuur kan waterstofbrandstof vervangen. Een van de belangrijkste redenen waarom de wereldwijde invoering van een op waterstof gebaseerde samenleving nog niet is bereikt, is dat waterstof, het kleinste atoom in het universum, moeilijk op te slaan is en dat het erg duur zou zijn om een ​​goed afgesloten waterstofreservoir te bouwen. Bovendien kan waterstofgas explosief zijn en een veiligheidsrisico vormen. Mierenzuur is veel gemakkelijker op te slaan als brandstof omdat het vloeibaar is. Indien nodig kan mierenzuur de reactie katalyseren om ter plaatse waterstof te produceren. Daarnaast kan mierenzuur worden gebruikt als grondstof voor diverse chemicaliën.
Ook al is de efficiëntie van kunstmatige fotosynthese momenteel nog erg laag, de Green Science Alliance zal blijven strijden om de efficiëntie te verhogen en kunstmatige fotosynthese daadwerkelijk in de praktijk te brengen.