КАВАНИШ, Япония, 15 ноября 2022 г. /PRNewswire/ — Экологические проблемы, такие как изменение климата, истощение ресурсов, вымирание видов, загрязнение пластиком и вырубка лесов, вызванные резким ростом населения мира, становятся все более актуальными.
Углекислый газ (CO2) является парниковым газом и одной из главных причин изменения климата. В этом контексте процесс, называемый «искусственным фотосинтезом (фотовосстановлением углекислого газа)», позволяет получать органическое сырье для топлива и химических веществ из углекислого газа, воды и солнечной энергии, как это делают растения. При этом они сокращают выбросы CO2, используемого в качестве сырья для производства энергии и химических веществ. Поэтому искусственный фотосинтез известен как одна из самых передовых «зеленых» технологий.
Металлоорганические каркасы (МОК) — это сверхпористые материалы, состоящие из кластеров неорганических металлов и органических линкеров. Их можно контролировать на молекулярном уровне в нанодиапазоне, и они обладают большой площадью поверхности. Благодаря этим свойствам МОК могут применяться в хранении газов, разделении, адсорбции металлов, катализе, доставке лекарств, очистке воды, датчиках, электродах, фильтрах и т. д. Недавно было обнаружено, что МОК обладают способностью улавливать CO2, который можно использовать для производства органических веществ посредством фотовосстановления CO2, также известного как искусственный фотосинтез.
Квантовые точки, с другой стороны, представляют собой ультратонкие материалы (0,5–9 нанометров) с оптическими свойствами, подчиняющимися правилам квантовой химии и квантовой механики. Их называют «искусственными атомами или искусственными молекулами», потому что каждая квантовая точка состоит всего из нескольких или тысяч атомов или молекул. В этом диапазоне размеров энергетические уровни электронов перестают быть непрерывными и разделяются из-за физического явления, известного как эффект квантового ограничения. В этом случае длина волны излучаемого света будет зависеть от размера квантовой точки. Эти квантовые точки также могут применяться в искусственном фотосинтезе благодаря их высокой способности поглощать свет, способности генерировать множественные экситоны и большой площади поверхности.
Как металлоорганические каркасы (МОК), так и квантовые точки были синтезированы организацией Green Science Alliance. Ранее они успешно использовали композиты МОК-квантовые точки для производства муравьиной кислоты в качестве специального катализатора для искусственного фотосинтеза. Однако эти катализаторы представляют собой порошкообразную форму, и на каждом этапе процесса эти порошки необходимо собирать фильтрацией. Поэтому их трудно применять в реальных промышленных условиях, поскольку эти процессы не являются непрерывными.
В ответ на это г-н Кадзино Тэцуро, г-н Ивабаяси Хирохиса и доктор Мори Рёхэй из компании Green Science Alliance Co., Ltd. использовали свою технологию для иммобилизации этих специальных катализаторов искусственного фотосинтеза на недорогой текстильной ткани и открыли новый завод по производству муравьиной кислоты. Процесс может протекать непрерывно для практического промышленного применения. После завершения реакции искусственного фотосинтеза воду, содержащую муравьиную кислоту, можно удалить и извлечь, а затем добавить в емкость новую свежую воду для продолжения искусственного фотосинтеза.
Муравьиная кислота может заменить водородное топливо. Одна из главных причин, сдерживающих повсеместное внедрение водородного топлива, заключается в том, что водород, самый маленький атом во Вселенной, трудно хранить, а создание герметичного резервуара для водорода обойдется очень дорого. Кроме того, газообразный водород может быть взрывоопасным и представлять опасность. Муравьиную кислоту гораздо проще хранить в качестве топлива, поскольку она находится в жидком состоянии. При необходимости муравьиная кислота может катализировать реакцию для получения водорода непосредственно в реакторе. Кроме того, муравьиная кислота может использоваться в качестве сырья для производства различных химических веществ.
Даже если эффективность искусственного фотосинтеза в настоящее время все еще очень низка, Альянс зеленой науки продолжит бороться за повышение эффективности и внедрение действительно прикладного искусственного фотосинтеза.