KAWANISH, Giappone, 15 novembre 2022 /PRNewswire/ — Le problematiche ambientali come i cambiamenti climatici, l'esaurimento delle risorse, l'estinzione delle specie, l'inquinamento da plastica e la deforestazione causati dall'aumento della popolazione 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, riduce 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, nella scala nanometrica, e presentano un'ampia superficie. Grazie a queste proprietà, i MOF trovano applicazione nello stoccaggio e nella separazione di gas, nell'adsorbimento di metalli, nella catalisi, nel rilascio controllato di farmaci, nel trattamento delle acque, nei sensori, negli elettrodi, nei filtri, ecc. Recentemente è stata scoperta la capacità dei MOF di catturare la CO2, che può essere utilizzata per produrre sostanze organiche tramite 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 a 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 molteplici eccitoni e all'ampia superficie.
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 si presentano in forma di polvere e devono essere raccolti tramite filtrazione in ogni fase del processo. Pertanto, è difficile applicarli a un uso industriale reale, poiché questi processi non sono continui.
In risposta, il signor Kajino Tetsuro, il signor Iwabayashi Hirohisa e il dottor Mori Ryohei della Green Science Alliance Co., Ltd. hanno utilizzato la loro tecnologia per immobilizzare questi speciali catalizzatori di fotosintesi artificiale su un tessuto economico e hanno inaugurato un nuovo impianto per la produzione di acido formico. Il processo può essere eseguito in modo continuo per applicazioni industriali pratiche. Al termine della reazione di fotosintesi artificiale, l'acqua contenente acido formico può essere prelevata ed estratta, quindi si può aggiungere nuova acqua fresca al contenitore per riprendere il processo di fotosintesi artificiale.
L'acido formico può sostituire l'idrogeno come combustibile. Uno dei principali ostacoli all'adozione a livello mondiale di una società basata sull'idrogeno è la difficoltà di stoccaggio dell'idrogeno, l'atomo più piccolo dell'universo, e l'elevato costo di costruzione di un serbatoio sigillato. Inoltre, l'idrogeno gassoso può essere esplosivo e rappresentare un pericolo per la sicurezza. L'acido formico, invece, è molto più facile da immagazzinare come combustibile perché è liquido. Se necessario, l'acido formico può catalizzare la reazione per produrre idrogeno in loco. Infine, l'acido formico può essere utilizzato come materia prima per la produzione di diverse sostanze chimiche.
Anche se l'efficienza della fotosintesi artificiale è attualmente ancora molto bassa, la Green Science Alliance continuerà a battersi per aumentarla e introdurre la fotosintesi artificiale con applicazioni concrete.