קוואניש, יפן, 15 בנובמבר 2022 /PRNewswire/ - סוגיות סביבתיות כמו שינויי אקלים, דלדול משאבים, הכחדת מינים, זיהום פלסטיק וכריתת יערות הנגרמים כתוצאה מגידול האוכלוסייה העולמית הופכות דחופות יותר.
פחמן דו-חמצני (CO2) הוא גז חממה ואחד הגורמים העיקריים לשינויי אקלים. בהקשר זה, תהליך הנקרא "פוטוסינתזה מלאכותית (פוטו-רדוקציה של פחמן דו-חמצני)" יכול לייצר חומרי גלם אורגניים לדלק וכימיקלים מפחמן דו-חמצני, מים ואנרגיה סולארית, כפי שעושים צמחים. במקביל, הם מפחיתים את פליטות ה-CO2, המשמשות כחומר גלם לייצור אנרגיה וכימיקלים. לכן, פוטוסינתזה מלאכותית ידועה כאחת הטכנולוגיות הירוקות המתקדמות ביותר.
MOFs (מסגרות מתכת-אורגניות) הם חומרים סופר-נקבוביים המורכבים מאשכולות של מתכות אנאורגניות וקשרים אורגניים. ניתן לשלוט בהם ברמה המולקולרית בטווח הננו עם שטח פנים גדול. בשל תכונות אלו, ניתן ליישם MOFs באחסון גז, הפרדה, ספיחת מתכות, קטליזה, אספקת תרופות, טיפול במים, חיישנים, אלקטרודות, מסננים וכו'. לאחרונה נמצא כי ל-MOFs יש את היכולת ללכוד CO2, שניתן להשתמש בו לייצור חומרים אורגניים באמצעות פוטו-רדוקציה של CO2, המכונה גם פוטוסינתזה מלאכותית.
נקודות קוונטיות, לעומת זאת, הן חומרים זעירים במיוחד (0.5-9 ננומטר) בעלי תכונות אופטיות המצייתות לחוקי הכימיה הקוונטית ומכניקת הקוונטים. הן נקראות "אטומים מלאכותיים או מולקולות מלאכותיות" מכיוון שכל נקודה קוונטית מורכבת מאטומים או מולקולות ספורים עד אלפי אטומים או מולקולות. בטווח גודל זה, רמות האנרגיה של האלקטרונים אינן רציפות עוד והן מופרדות עקב תופעה פיזיקלית המכונה אפקט הכליאה הקוונטית. במקרה זה, אורך הגל של האור הנפלט יהיה תלוי בגודל הנקודה הקוונטית. נקודות קוונטיות אלו יכולות לשמש גם בפוטוסינתזה מלאכותית בשל יכולת ספיגת האור הגבוהה שלהן, יכולתן לייצר אקסיטון מרובים ושטח פנים גדול.
גם MOFs וגם נקודות קוונטיות סונתזו על ידי ברית המדע הירוק. בעבר, הם השתמשו בהצלחה בחומרים מרוכבים של MOF-נקודות קוונטיות כדי לייצר חומצה פורמית כזרז מיוחד לפוטוסינתזה מלאכותית. עם זאת, זרזים אלה הם בצורת אבקה ואבקות זרז אלה חייבות להיות מאוספות באמצעות סינון בכל תהליך. לכן, קשה ליישם אותם לשימוש תעשייתי אמיתי מכיוון שתהליכים אלה אינם רציפים.
בתגובה, מר קאג'ינו טטסורו, מר איוואביאשי הירוהיסה וד"ר מורי ריוהיי מחברת Green Science Alliance Co., Ltd. השתמשו בטכנולוגיה שלהם כדי לשתק את הזרזים המלאכותיים המיוחדים הללו לפוטוסינתזה על בד טקסטיל זול ופתחו מפעל חדש לחומצה פורמית. ניתן להפעיל את התהליך ברציפות ליישומים תעשייתיים מעשיים. לאחר השלמת תגובת הפוטוסינתזה המלאכותית, ניתן להוציא את המים המכילים חומצה פורמית ולחלץ אותם, ולאחר מכן ניתן להוסיף מים טריים חדשים למיכל כדי להמשיך את חידוש הפוטוסינתזה המלאכותית.
חומצה פורמית יכולה להחליף דלק מימן. אחת הסיבות העיקריות המעכבות את האימוץ העולמי של חברה מבוססת מימן היא שמימן, האטום הקטן ביותר ביקום, קשה לאחסון, ויהיה יקר מאוד לבנות מאגר מימן אטום היטב. בנוסף, גז מימן יכול להיות נפיץ ולהוות סכנה בטיחותית. קל הרבה יותר לאחסן חומצות פורמיות כדלק מכיוון שהן נוזליות. במידת הצורך, חומצה פורמית יכולה לזרז את התגובה לייצור מימן באתר. בנוסף, חומצה פורמית יכולה לשמש כחומר גלם לכימיקלים שונים.
גם אם יעילות הפוטוסינתזה המלאכותית עדיין נמוכה מאוד כיום, ברית המדע הירוק תמשיך להילחם כדי להגביר את היעילות ולהכניס פוטוסינתזה מלאכותית יישומית באמת.