Каваниси, Япония, 15 ноября 2022 г. /PRNewswire/ — Экологические проблемы, такие как изменение климата, истощение природных ресурсов, вымирание видов, загрязнение пластиком и вырубка лесов, обостряются во всем мире из-за демографического взрыва.
Углекислый газ (CO2) является парниковым газом и одной из главных причин изменения климата. В этом контексте процесс, известный как «искусственный фотосинтез (фотовосстановление CO2)», позволяет получать органическое сырье для топлива и химических веществ из CO2, воды и солнечной энергии, подобно тому, как это делают растения. Одновременно с этим, он также снижает выбросы CO2, поскольку CO2 используется в качестве сырья для производства энергии и химических ресурсов. Поэтому искусственный фотосинтез считается одной из новейших «зеленых» технологий.
Металлоорганические каркасы (МОК) — это ультрапористые материалы, состоящие из кластеров неорганических металлов и органических линкеров. Их структуру можно контролировать на молекулярном уровне в нанометровом диапазоне, 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 к захвату CO2, который может быть фотовосстановлен, то есть, к искусственному фотосинтезу.
Квантовые точки, с другой стороны, представляют собой ультратонкие материалы (0,5–9 нм), оптические свойства которых соответствуют правилам квантовой химии и квантовой механики. Их называют «искусственными атомами или искусственными молекулами», потому что каждая квантовая точка состоит всего из нескольких или нескольких 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 квантовых точек. Эти квантовые точки также могут быть применены 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 в рамках Альянса за зеленую науку. Ранее они успешно использовали композитные материалы на основе МОК и квантовых точек для получения муравьиной кислоты в качестве специального катализатора для искусственного фотосинтеза. Однако эти катализаторы представляют собой порошкообразную форму, и на каждом этапе процесса их необходимо собирать фильтрацией. Поэтому, поскольку эти процессы не являются непрерывными, их трудно применять в промышленности на практике.
В ответ на это г-н Тэцуро Кадзино, г-н Хирохиса Ивабаяси и д-р Рёхэй Мори из компании Green Science Alliance Co., Ltd. использовали свою технологию для иммобилизации этих специальных катализаторов искусственного фотосинтеза на недорогих текстильных полотнах и разработали новый процесс производства муравьиной кислоты, который может непрерывно работать в практических промышленных приложениях. После завершения реакции искусственного фотосинтеза воду, содержащую муравьиную кислоту, можно отвести для экстракции, а затем добавить в контейнер новую свежую воду для непрерывного возобновления искусственного фотосинтеза.
Муравьиная кислота может заменить водородное топливо. Одна из главных причин, препятствующих распространению водородного общества по всему миру, заключается в том, что водород — это самый маленький атом во Вселенной, поэтому его трудно хранить, а производство водородного резервуара с высокой герметичностью будет очень дорогостоящим. Кроме того, газообразный водород может быть взрывоопасным и представлять опасность. Поскольку муравьиная кислота является жидкостью, её легче хранить в качестве топлива. При необходимости муравьиную кислоту можно использовать для катализа производства водорода на месте. Кроме того, муравьиную кислоту можно использовать в качестве сырья для различных химических веществ.
Несмотря на то, что эффективность искусственного фотосинтеза пока низка, Альянс «Зеленая наука» продолжит бороться за повышение его эффективности для создания практического применения искусственного фотосинтеза.