Kawanishi, Giappone, 15 novembre 2022 /PRNewswire/ — Problemi ambientali come il cambiamento climatico, l'esaurimento delle risorse naturali, l'estinzione delle specie, l'inquinamento da plastica e la deforestazione si stanno aggravando in tutto il mondo a causa dell'esplosione demografica.
L'anidride carbonica (CO₂) è un gas serra e una delle principali cause del cambiamento climatico. A questo proposito, un processo noto come "fotosintesi artificiale (fotoriduzione della CO₂)" può produrre materie prime organiche per combustibili e prodotti chimici a partire da CO₂, acqua ed energia solare, proprio come fanno le piante. Allo stesso tempo, riduce anche le emissioni di CO₂, poiché la CO₂ viene utilizzata come materia prima per la produzione di energia e risorse chimiche. Pertanto, la fotosintesi artificiale è considerata una delle più recenti tecnologie verdi.
I MOF (Metal Organic Framework) sono materiali ultraporosi composti da cluster di metalli inorganici e leganti organici. Possono essere controllati a livello molecolare nell'ordine dei nanometri e hanno 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. Recentemente, è stato scoperto che i MOF hanno la capacità di catturare la CO2, che può essere fotoridotta, ovvero fotosintesi artificiale.
I punti quantici, invece, sono materiali ultrasottili (0,5-9 nm) le cui proprietà ottiche sono conformi alle regole della chimica quantistica e della meccanica quantistica. Sono chiamati "atomi artificiali o molecole artificiali" perché ogni punto quantico è costituito da pochi o poche 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 dei punti quantici. 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 nell'ambito della Green Science Alliance. In precedenza, i materiali compositi a punti quantici MOF sono stati utilizzati con successo per produrre acido formico come catalizzatore speciale per la fotosintesi artificiale. Tuttavia, questi catalizzatori sono in polvere e le polveri catalizzatrici devono essere raccolte tramite filtrazione in ogni processo. Pertanto, poiché questi processi non sono continui, sono difficili da applicare per un uso industriale pratico.
In risposta a questa esigenza, il Sig. Tetsuro Kajino, il Sig. Hirohisa Iwabayashi e il Dott. Ryohei Mori della Green Science Alliance Co., Ltd. hanno utilizzato la loro tecnologia per immobilizzare questi speciali catalizzatori di fotosintesi artificiale su fogli tessili poco costosi e hanno sviluppato un nuovo processo per la produzione di acido formico, che può essere utilizzato in modo continuativo in applicazioni industriali pratiche. Al termine della reazione di fotosintesi artificiale, l'acqua contenente acido formico può essere prelevata per l'estrazione e nuova acqua fresca può essere aggiunta al contenitore per riprendere in modo continuo la fotosintesi artificiale.
L'acido formico può sostituire l'idrogeno come combustibile. Uno dei principali motivi che impediscono la diffusione di una società basata sull'idrogeno in tutto il mondo è che l'idrogeno è l'atomo più piccolo dell'universo, quindi è difficile immagazzinarlo e la produzione di un serbatoio di idrogeno con un elevato effetto sigillante sarebbe molto costosa. Inoltre, l'idrogeno gassoso può essere esplosivo e rappresentare un pericolo per la sicurezza. Poiché l'acido formico è un liquido, è più facile da immagazzinare come combustibile. Se necessario, l'acido formico può essere utilizzato per catalizzare la produzione di idrogeno in situ. Inoltre, l'acido formico può essere utilizzato come materia prima per vari prodotti chimici.
Sebbene l'efficienza della fotosintesi artificiale sia ancora bassa, la Green Science Alliance continuerà a lottare per migliorarne l'efficienza e trovare applicazioni pratiche per la fotosintesi artificiale.