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 Frameworks) sono materiali ultraporosi composti da cluster di metalli inorganici e leganti organici. Possono essere controllati a livello molecolare nell'intervallo nanometrico e presentano un'ampia superficie. Grazie a queste proprietà, i MOF possono essere impiegati 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 CO2, che può essere fotoridotta, ovvero utilizzata per la fotosintesi artificiale.
I punti quantici, d'altra parte, sono materiali ultrasottili (0,5-9 nm) le cui proprietà ottiche si conformano 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 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 molteplici eccitoni e all'ampia superficie.
Sia i MOF che i punti quantici sono stati sintetizzati nell'ambito della Green Science Alliance. In precedenza, sono stati utilizzati con successo materiali compositi a base di MOF e punti quantici per produrre acido formico, un catalizzatore specifico per la fotosintesi artificiale. Tuttavia, questi catalizzatori si presentano in polvere e devono essere raccolti tramite filtrazione in ogni fase del processo. Pertanto, poiché questi processi non sono continui, la loro applicazione a livello industriale risulta complessa.
In risposta, il signor Tetsuro Kajino, il signor Hirohisa Iwabayashi e il dottor Ryohei Mori della Green Science Alliance Co., Ltd. hanno utilizzato la loro tecnologia per immobilizzare questi speciali catalizzatori di fotosintesi artificiale su fogli di tessuto economici e hanno sviluppato un nuovo processo per la produzione di acido formico, che può operare in modo continuo 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 continuamente la fotosintesi artificiale.
L'acido formico può sostituire l'idrogeno come combustibile. Uno dei principali ostacoli alla diffusione di una società basata sull'idrogeno a livello globale è rappresentato dal fatto che l'idrogeno è l'atomo più piccolo dell'universo, il che ne rende difficile lo stoccaggio, e la produzione di serbatoi di idrogeno ad alta tenuta risulterebbe estremamente costosa. Inoltre, l'idrogeno gassoso è esplosivo e rappresenta un pericolo per la sicurezza. L'acido formico, essendo liquido, è più facile da immagazzinare e utilizzare come combustibile. Se necessario, può essere impiegato anche per catalizzare la produzione di idrogeno in loco. Infine, può essere utilizzato come materia prima per la produzione di diversi prodotti chimici.
Sebbene l'efficienza della fotosintesi artificiale sia ancora bassa, la Green Science Alliance continuerà a battersi per migliorarla al fine di stabilire applicazioni pratiche per la fotosintesi artificiale.