KAWANISH, Giappone, 15 novembre 2022 /PRNewswire/ — Problemi ambientali come il cambiamento climatico, l'esaurimento delle risorse, l'estinzione delle specie, l'inquinamento da plastica e la deforestazione causati dall'aumento demografico mondiale stanno diventando sempre più urgenti.
L'anidride carbonica (CO₂) è un gas serra e una delle principali cause del cambiamento climatico. A questo proposito, un processo chiamato "fotosintesi artificiale (fotoriduzione dell'anidride carbonica)" può produrre materie prime organiche per combustibili e prodotti chimici a partire da anidride carbonica, acqua ed energia solare, proprio come fanno le piante. Allo stesso tempo, riducono le emissioni di CO₂, che vengono utilizzate come materia prima per la produzione di energia e prodotti chimici. Pertanto, la fotosintesi artificiale è considerata una delle tecnologie verdi più avanzate.
I MOF (strutture metallo-organiche) sono materiali superporosi composti da cluster di metalli inorganici e leganti organici. Possono essere controllati a livello molecolare nell'ordine del nanometro, con un'ampia area superficiale. Grazie a queste proprietà, i MOF possono essere applicati nello stoccaggio di gas, nella separazione, nell'adsorbimento di metalli, nella catalisi, nel rilascio di farmaci, nel trattamento delle acque, nella sensoristica, negli elettrodi, nei filtri, ecc. È stato recentemente scoperto che i MOF hanno la capacità di catturare la CO₂, che può essere utilizzata per produrre sostanze organiche attraverso la fotoriduzione della CO₂, nota anche come fotosintesi artificiale.
I punti quantici, d'altra parte, sono materiali ultra-piccoli (0,5-9 nanometri) con proprietà ottiche che obbediscono alle regole della chimica quantistica e della meccanica quantistica. Sono chiamati "atomi artificiali o molecole artificiali" perché ogni punto quantico è costituito da poche o migliaia di atomi o molecole. In questo intervallo di dimensioni, i livelli energetici degli elettroni non sono più continui e si separano a causa di un fenomeno fisico noto come effetto di confinamento quantistico. In questo caso, la lunghezza d'onda della luce emessa dipenderà dalle dimensioni del punto quantico. Questi punti quantici possono essere applicati anche nella fotosintesi artificiale grazie alla loro elevata capacità di assorbimento della luce, alla capacità di generare eccitoni multipli e all'ampia area superficiale.
Sia i MOF che i punti quantici sono stati sintetizzati dalla Green Science Alliance. In precedenza, hanno utilizzato con successo compositi MOF-punti quantici per produrre acido formico come catalizzatore speciale per la fotosintesi artificiale. Tuttavia, questi catalizzatori sono in polvere e le polveri devono essere raccolte tramite filtrazione in ogni processo. Pertanto, è difficile applicarli a un uso industriale reale perché questi processi non sono continui.
In risposta, il Sig. Kajino Tetsuro, il Sig. Iwabayashi Hirohisa e il Dott. Mori Ryohei della Green Science Alliance Co., Ltd. hanno utilizzato la loro tecnologia per immobilizzare questi speciali catalizzatori di fotosintesi artificiale su un tessuto poco costoso e hanno inaugurato un nuovo impianto di acido formico. Il processo può essere eseguito in continuo per applicazioni industriali pratiche. Dopo il completamento della reazione di fotosintesi artificiale, l'acqua contenente acido formico può essere estratta, quindi nuova acqua fresca può essere aggiunta al contenitore per continuare la ripresa della fotosintesi artificiale.
L'acido formico può sostituire l'idrogeno come combustibile. Uno dei principali motivi che frenano l'adozione a livello mondiale di una società basata sull'idrogeno è che l'idrogeno, l'atomo più piccolo dell'universo, è difficile da immagazzinare e sarebbe molto costoso costruire una riserva di idrogeno ben sigillata. Inoltre, l'idrogeno gassoso può essere esplosivo e rappresentare un rischio per la sicurezza. È molto più facile immagazzinare l'acido formico come combustibile perché è liquido. Se necessario, l'acido formico può catalizzare la reazione per produrre idrogeno in situ. Inoltre, l'acido formico può essere utilizzato come materia prima per vari prodotti chimici.
Anche se l'efficienza della fotosintesi artificiale è attualmente ancora molto bassa, la Green Science Alliance continuerà a battersi per aumentarne l'efficienza e introdurre una fotosintesi artificiale realmente applicata.