Kawanishi, Japan, 15 november 2022 /PRNewswire/ — Milieuproblemen zoals klimaatverandering, uitputting van natuurlijke hulpbronnen, het uitsterven van soorten, plasticvervuiling en ontbossing worden wereldwijd verergerd door een bevolkingsexplosie.
Koolstofdioxide (CO2) is een broeikasgas en een van de belangrijkste oorzaken van klimaatverandering. In dit verband kan een proces dat bekend staat als "kunstmatige fotosynthese (CO2-fotoreductie)" organische grondstoffen voor brandstoffen en chemicaliën produceren uit CO2, water en zonne-energie, net zoals planten dat doen. Tegelijkertijd vermindert het ook de CO2-uitstoot, omdat CO2 wordt gebruikt als grondstof voor de productie van energie en chemische grondstoffen. Daarom wordt kunstmatige fotosynthese beschouwd als een van de nieuwste groene technologieën.
MOF's (Metal Organic Frameworks) zijn ultraporeuze materialen die bestaan ​​uit clusters van anorganische metalen en organische verbindingsstukken. Ze kunnen op moleculair niveau in het nanometerbereik 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 CO2 kunnen afvangen door middel van fotoreductie van CO2, oftewel kunstmatige fotosynthese.
Kwantumstippen daarentegen zijn ultradunne materialen (0,5–9 nm) waarvan de optische eigenschappen 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 of een paar duizend 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 zal de golflengte van het uitgezonden licht afhangen van de grootte van de kwantumstippen. 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 in het kader van de Green Science Alliance. Eerder hebben ze met succes MOF-kwantumstippencomposietmaterialen 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. Omdat deze processen niet continu zijn, zijn ze moeilijk toepasbaar in de praktijk in de industrie.
Als reactie hierop gebruikten de heren Tetsuro Kajino, Hirohisa Iwabayashi en dr. Ryohei Mori van Green Science Alliance Co., Ltd. hun technologie om deze speciale kunstmatige fotosynthese-katalysatoren te immobiliseren op goedkope textielvellen en ontwikkelden ze een nieuw proces voor de productie van mierenzuur dat continu kan worden toegepast in praktische industriële toepassingen. Na afloop van de kunstmatige fotosynthesereactie kan het water met mierenzuur worden afgetapt en kan er vers water aan de container worden toegevoegd om de kunstmatige fotosynthese continu te hervatten.
Mierenzuur kan waterstofbrandstof vervangen. Een van de belangrijkste redenen waarom een ​​waterstofmaatschappij zich nog niet wereldwijd heeft verspreid, is dat waterstof het kleinste atoom in het universum is, waardoor het moeilijk op te slaan is. Bovendien is de productie van een waterstoftank met een hoge afdichtingswaarde erg duur. Daarnaast kan waterstofgas explosief zijn en een veiligheidsrisico vormen. Omdat mierenzuur vloeibaar is, is het gemakkelijker op te slaan als brandstof. Indien nodig kan mierenzuur worden gebruikt om de waterstofproductie ter plaatse te katalyseren. Bovendien kan mierenzuur dienen als grondstof voor diverse chemicaliën.
Hoewel de efficiëntie van kunstmatige fotosynthese nog steeds laag is, zal de Green Science Alliance zich blijven inzetten voor efficiëntieverbeteringen om praktische toepassingen voor kunstmatige fotosynthese te ontwikkelen.